Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On...

106
Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering United States Air Force Academy, 2006 Submitted to the Engineering Systems Division in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering Systems at the Massachusetts Institute of Technology June 2008 © 2008 Massachusetts Institute of Technology. All rights reserved. Signature of Author: ___________________________________________________________ Engineering Systems Division May 9, 2008 Certified by: __________________________________________________________________ Mary Cummings Associate Professor of Engineering Systems Thesis Supervisor Accepted by: ___________________________________________________________________ Richard Larson Professor of Engineering Systems Chairman, Engineering Systems Division Education Division

Transcript of Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On...

Page 1: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Effect of Auditory Peripheral Displays  On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance 

 by 

   Hudson D. Graham 

 B.S. Systems Engineering 

United States Air Force Academy, 2006  

Submitted to the Engineering Systems Division  in partial fulfillment of the requirements for the degree of 

 Master of Science in Engineering Systems 

at the Massachusetts Institute of Technology 

 June 2008 

  

© 2008 Massachusetts Institute of Technology.  All rights reserved.  

 Signature of Author: ___________________________________________________________ 

Engineering Systems Division May 9, 2008 

  Certified by: __________________________________________________________________ 

Mary Cummings Associate Professor of Engineering Systems 

Thesis Supervisor   

Accepted by: ___________________________________________________________________  Richard Larson 

Professor of Engineering Systems Chairman, Engineering Systems Division Education Division 

Page 2: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Report Documentation Page Form ApprovedOMB No. 0704-0188

Public reporting burden for the collection of information is estimated to average 1 hour per response, including the time for reviewing instructions, searching existing data sources, gathering andmaintaining the data needed, and completing and reviewing the collection of information. Send comments regarding this burden estimate or any other aspect of this collection of information,including suggestions for reducing this burden, to Washington Headquarters Services, Directorate for Information Operations and Reports, 1215 Jefferson Davis Highway, Suite 1204, ArlingtonVA 22202-4302. Respondents should be aware that notwithstanding any other provision of law, no person shall be subject to a penalty for failing to comply with a collection of information if itdoes not display a currently valid OMB control number.

1. REPORT DATE JUN 2008 2. REPORT TYPE

3. DATES COVERED 00-00-2008 to 00-00-2008

4. TITLE AND SUBTITLE Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial VehicleOperator Performance

5a. CONTRACT NUMBER

5b. GRANT NUMBER

5c. PROGRAM ELEMENT NUMBER

6. AUTHOR(S) 5d. PROJECT NUMBER

5e. TASK NUMBER

5f. WORK UNIT NUMBER

7. PERFORMING ORGANIZATION NAME(S) AND ADDRESS(ES) United States Air Force Academy,US Air Force Academy,CO,80840

8. PERFORMING ORGANIZATIONREPORT NUMBER

9. SPONSORING/MONITORING AGENCY NAME(S) AND ADDRESS(ES) 10. SPONSOR/MONITOR’S ACRONYM(S)

11. SPONSOR/MONITOR’S REPORT NUMBER(S)

12. DISTRIBUTION/AVAILABILITY STATEMENT Approved for public release; distribution unlimited

13. SUPPLEMENTARY NOTES

14. ABSTRACT With advanced autonomy, Unmanned Aerial Vehicle (UAV) operations will likely be conducted by singleoperators controlling multiple UAVs. As operator attention is divided across multiple supervisory tasks,there is a need to support the operator?s awareness of the state of the tasks for safe and effective taskmanagement. This research explores enhancing audio cues of UAV interfaces for this futuristic control ofmultiple UAVs by a single operator. This thesis specifically assesses the value of continuous and discreteaudio cues as indicators of course‐deviations or late‐arrivals to targets for UAV missionswith single and multiple UAVs. In particular, this thesis addresses two questions: (1) when compared withdiscrete audio, does continuous audio better aid human supervision of UAV operations, and (2) is theeffectiveness of the discrete or continuous audio support dependent on operator workload? An experimentwas carried out on the Multiple Autonomous Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) test bed with 44military participants. Specifically, two continuous audio alerts were mapped to two human supervisorytasks within MAUVE. These continuous alerts were tested against single beep discrete alerts. The resultsshow that the use of the continuous audio alerts enhances a single operator?s performance in monitoringsingle and multiple, semi‐autonomous vehicles. The results also emphasize the necessity to properlyintegrate the continuous audio with other auditory alarms and visual representations in a display, as it ispossible for discrete audio alerts to be masked by continuous audio, leaving operators reliant on the visualaspects of the display.

15. SUBJECT TERMS

16. SECURITY CLASSIFICATION OF: 17. LIMITATION OF ABSTRACT Same as

Report (SAR)

18. NUMBEROF PAGES

105

19a. NAME OFRESPONSIBLE PERSON

a. REPORT unclassified

b. ABSTRACT unclassified

c. THIS PAGE unclassified

Page 3: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The views expressed in this article are those of the author and do not reflect the official 

policy or position of the United States Air Force, Department of Defense, or the U.S. 

Government. 

Page 4: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Effect of Auditory Peripheral Displays  On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance 

 

by  

Hudson D. Graham  

Submitted to the Engineering Systems Division  on May 9th, 2008, in partial fulfillment of the requirements for the degree of 

Master of Science in Engineering Systems 

Abstract 

With  advanced  autonomy,  Unmanned  Aerial  Vehicle  (UAV)  operations  will likely  be  conducted  by  single  operators  controlling  multiple  UAVs.    As  operator attention  is divided across multiple  supervisory  tasks,  there  is a need  to  support  the operator’s awareness of  the state of  the  tasks  for safe and effective  task management.  This research explores enhancing audio cues of UAV interfaces for this futuristic control of multiple UAVs  by  a  single  operator.  This  thesis  specifically  assesses  the  value  of continuous and discrete audio cues as indicators of course‐deviations or late‐arrivals to targets  for UAV missions with  single  and multiple UAVs.    In  particular,  this  thesis addresses  two  questions:  (1)  when  compared  with  discrete  audio,  does  continuous audio better aid human supervision of UAV operations, and  (2)  is  the effectiveness of the discrete or continuous audio support dependent on operator workload?   

 An experiment was carried out on the Multiple Autonomous Unmanned Vehicle 

Experiment  (MAUVE)  test  bed  with  44  military  participants.  Specifically,  two continuous audio alerts were mapped to two human supervisory tasks within MAUVE.  These  continuous  alerts were  tested  against  single  beep  discrete  alerts.    The  results show  that  the  use  of  the  continuous  audio  alerts  enhances  a  single  operator’s performance in monitoring single and multiple, semi‐autonomous vehicles.  The results also  emphasize  the  necessity  to  properly  integrate  the  continuous  audio with  other auditory  alarms  and  visual  representations  in  a display,  as  it  is possible  for discrete audio alerts to be masked by continuous audio, leaving operators reliant on the visual aspects of the display.   

 Thesis Supervisor:  Mary Cummings Title:  Associate Professor of Engineering Systems 

Page 5: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Acknowledgements 

I owe many people a thank you for the successful completion of this thesis.  First, thank you to my research and academic advisor, Missy Cummings.  Being 

a part of your lab is the best first Air Force assignment I could have had.  Having you as my advisor has been a  true honor.   From you,  I have  learned not  just academics, but professional skills that I will use throughout my career as an officer.    

Thank you also  to Mark Ashdown and Birsen Donmez.    I am grateful  for your feedback throughout the writing and countless revisions of this thesis. 

To Adam Fouse, Jonathan Pfautz, Ryan Kilgore, and Charles River Analytics,  it was a privilege to work with you on this Army funded project.  Adam, I could not have conducted experimentation without your countless hours of working  to get  the audio displays integrated into MAUVE.  Thank you. 

Thank you to David Silvia and Bill D’Angelo for your thoughtful comments and feedback throughout my research.   

To the undergraduates, Brian Malley and Teresa Pontillo, who helped me setup and run the experiment, thank you for your time and energy. 

Thank you to Stephen Jimenez and the ROTC detachments for helping me recruit participants for my experiment. 

Fellow HALiens past and present:  Jim, Amy, Yves, Carl, Sylvain, Geoff, Anna, and many others, thank you for sharing your lives with me and making my time here a great experience.    It has been a  joy  to get  to know each of you, and  I  look  forward  to keeping up with you in the years to come.    

Thank you  to Mom and Dad  for your constant support  throughout my  time at MIT.  I am blessed to call you my parents and praise God each time I think of you.     

To my  beautiful  bride,  a  highlight  of  these  two  years  at MIT  has  been  God making you a part of my life.  Thank you for your daily support and encouragement. 

Most  importantly,  I  thank my Lord and Savior.    It  is by His grace  that  I wake each morning, and by His grace  that  I have been afforded  the opportunity  to serve at MIT (Ephesians 2:8‐9).  I thank Him for His faithfulness to me (John 3:16).  

Page 6: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Table of Contents 

Abstract ..........................................................................................................................................3 Acknowledgements .....................................................................................................................4 Table of Contents.........................................................................................................................5 List of Figures ...............................................................................................................................7 List of Tables.................................................................................................................................9 Nomenclature..............................................................................................................................10 1. Introduction ............................................................................................................................11 1.1. Problem Statement.......................................................................................................... 14 1.2. Thesis Organization........................................................................................................ 14

2. Background .............................................................................................................................17 2.1. UAS Evolution............................................................................................................ 17

2.1.1. The Current Push..............................................................................................................................17 2.1.2. The Human in the System ...............................................................................................................19 2.1.3. The UAV Ground Control Station..................................................................................................20

2.2. Attention Theories ..................................................................................................... 21 2.2.1. Selective, Divided, and Sustained Attention.................................................................................21 2.2.2. Attention Resource Theories ...........................................................................................................22 2.2.3. Multiple Resource Theory ...............................................................................................................23

2.3. Audio Research .......................................................................................................... 25 2.3.1. Supervisory Control with Multi‐Modal Displays ........................................................................26 2.3.2. Continuous Audio ............................................................................................................................27 2.3.3. Supervisory Control Sonifications..................................................................................................29

2.4. Research Hypotheses................................................................................................. 31 3. Simulator and Interface Design ..........................................................................................33 3.1. Multiple Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) Test Bed .................... 33 3.2. Four Auditory‐alerts....................................................................................................... 38 3.3. Sensimetrics HDiSP ........................................................................................................ 39 3.4. Technical Description of Auditory‐alerts .................................................................... 39

4. Methods ...................................................................................................................................43 4.1. Experimental Questions................................................................................................. 43 4.2. Experimental Apparatus................................................................................................ 44 4.3. Experimental Design ...................................................................................................... 46

4.3.1. Independent Variables..........................................................................................................................46 4.3.2. Dependent Variables.............................................................................................................................48

4.4. Participants ...................................................................................................................... 50 4.5. Testing Procedures.......................................................................................................... 51 4.6. Data Collection ................................................................................................................ 52

Page 7: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

5. Results ......................................................................................................................................53 5.1. Course‐deviation Errors of Omission .......................................................................... 53 5.2. Course‐deviation Reaction Times................................................................................. 53 5.3. Late‐arrival Errors of Omission .................................................................................... 56 5.4. Late‐arrival Reaction Times........................................................................................... 56 5.5. Workload.......................................................................................................................... 56

5.5.1. Secondary Task Assessment ................................................................................................................56 5.5.2. Subjective Assessment ..........................................................................................................................57

5.6. Post‐Experiment Subjective Responses ....................................................................... 58 5.7. Summary of Experimental Findings ............................................................................ 60

6. Discussion ...............................................................................................................................63 6.1. Multiple Resource Theory ............................................................................................. 63 6.2. Mapping Audio Alerts to Intuitive Triggers............................................................... 64 6.3. Change Blindness............................................................................................................ 65 6.4. Masking ............................................................................................................................ 66 6.5. Workload.......................................................................................................................... 66

7. Conclusion...............................................................................................................................69 7.1. Findings............................................................................................................................ 69

7.1.1. Value Added by Continuous Audio...................................................................................................69 7.1.2. The Impact of Workload.......................................................................................................................70

7.2. Integration Issues ............................................................................................................ 71 7.3. Cost‐Benefit Analysis ..................................................................................................... 72 7.4. Limitations and Future Work........................................................................................ 74

Appendix A: Audio Alert Guidelines....................................................................................77 Appendix B: Scenario Events...................................................................................................79 Appendix C: Participant Consent Form.................................................................................81 Appendix D: Demographics Survey ......................................................................................85 Appendix E: MAUVE‐MITUS Tutorial .................................................................................87 Appendix F: Post‐Experiment Survey....................................................................................93 Appendix G: GLM Analysis: SPSS OUTPUT ......................................................................95 References..................................................................................................................................101  

 

Page 8: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

List of Figures 

Figure 2‐1: Possible UAV Missions (Nehme et al., 2007). .................................................... 18 Figure 2‐2: Transition to Multiple‐UAV Supervision. .......................................................... 19 Figure 2‐3: Attentional Resource Pools (Wickens & Hollands, 2000)................................. 24 Figure 3‐1: Multiple Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) Test Bed. .......... 34 Figure 3‐2: UAV Interaction Control Panel ............................................................................ 34 Figure 3‐3: Late‐arrival Illustration. ........................................................................................ 36 Figure 3‐4: Decision Support Visualization (DSV)................................................................ 36 Figure 3‐5: Course‐deviation Illustration. .............................................................................. 37 Figure 3‐6: Four Auditory‐alerts.............................................................................................. 38 Figure 3‐7: Sensimetrics Headset Display (HDiSP). ............................................................. 39 Figure 4‐1: Multi‐Modal Workstation (MMWS) (Osga et al., 2002).................................... 44 Figure 5‐1: Course‐deviation Reaction Times Treatment Means Plot................................ 54 Figure 5‐2: Post Hoc Analysis Course‐deviation Reaction Times Treatment Means Plot.

................................................................................................................................ 55 Figure 5‐3: Transformed (Natural Log) Late‐arrival Reaction Times Treatment Means 

Plot......................................................................................................................... 57 Figure B‐1: Major Events of Single‐UAV and Multiple‐UAV Test Scenarios. .................. 79  

Page 9: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

Page 10: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

List of Tables 

Table 1‐1: Auditory Versus Visual Presentations (Deatherage, 1972; Sorkin, 1987). ....... 13 Table 3‐1: UAV Color‐Coded Flight Phases........................................................................... 35 Table 4‐1: Experimental Conditions ........................................................................................ 47 Table 5‐1: Post Hoc Experimental Conditions. ...................................................................... 55 Table B‐1: Comparison of Single‐UAV and Multiple‐UAV Scenarios. .............................. 80 Table G‐1:  Course‐deviation Reaction Times (4 audio conditions) Within‐Subjects 

Contrasts............................................................................................................... 95 Table G‐2: Course‐deviation Reaction Times (4 audio conditions) Between‐Subjects 

Effects. ................................................................................................................... 95 Table G‐3: Course‐deviation Reaction Times (4 audio conditions) Tukey Test 

Comparisons. ....................................................................................................... 96 Table G‐4: Course‐deviation Reaction Times (2 audio alerts) Within‐Subjects Contrast.96 Table G‐5: Course‐deviation Reaction Times (2 audio alerts) Between‐Subjects Effects. 97 Table G‐6: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times Within‐Subjects 

Contrasts............................................................................................................... 97 Table G‐7: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times Between‐Subjects 

Effects. ................................................................................................................... 97 Table G‐8: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times Tukey Test 

Comparisons. ....................................................................................................... 98 Table G‐9: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times (with 

BothCont/LateCont/BothThresh Combined against DevCont) Within‐Subjects Contrasts. .............................................................................................. 98

Table G‐10: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times (with BothCont/LateCont/BothThresh Combined against DevCont) Between‐Subjects Effects..................................................................................................... 99

Table G‐11: NASA TLX Scores Within‐Subjects Contrasts. ................................................. 99 Table G‐12: NASA TLX Between‐Subjects Effects................................................................. 99 Table G‐13: Missed Radio Calls Within‐Subjects Contrasts. ............................................. 100 Table G‐14: Missed Radio Calls Between‐Subjects Effects................................................. 100

 

Page 11: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Nomenclature 

ANOVA    Analysis of Variance 

COCOM    Combatant Commander 

DOD      Department of Defense 

DSV      Decision Support Visualization 

HDiSP    Headset Display 

MALE     Minimum Altitude, Long Endurance 

MAUVE    Multiple Aerial Unmanned Vehicle Experiment 

MIT      Massachusetts Institute of Technology 

MMWS    Multi‐Modal Workstation 

NASA     National Aeronautics and Space Administration 

NATO    North Atlantic Treaty Organization 

RTB      Return to Base 

TLX      Task Load Index 

TOT      Time on Target 

UAS      Unmanned Aerial System 

UAV      Unmanned Aerial Vehicle 

VTUAV    Vertical‐take‐off‐and‐landing Tactical Unmanned Aerial Vehicle  

3D      Three‐dimensional 

 

10 

Page 12: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

1. Introduction 

The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is growing in the military, federal, 

and civil domains.   Worldwide,  in  the next 8 years UAVs will be a 15.7 billion dollar 

industry, where  in  the United States  alone  the plan  is  to have  9,420 mini UAVs,  775 

tactical UAVs,  570 minimum  altitude,  long  endurance  (MALE) UAVs  and  60 Global 

Hawks  (Tsach, Peled, Penn, Keshales, & Guedj, 2007).    In  fall 2006, over 40  countries 

were operating UAVs and 80 types of UAVs were  in existence, with the United States 

operating 3,000 UAVs and  the North Atlantic Treaty Organization  (NATO) operating 

3,600 UAVs (Culbertson, 2006).   UAVs are not  just  in demand on the battlefield; other 

government  departments  seeking  the  use  of  UAVs  include  the  Department  of 

Homeland Security and  the U.S. Coast Guard  for  law enforcement and border patrol 

(DOD, 2007). UAVs are also sought after in support of humanitarian relief efforts, such 

as with flood regions in the United States.  In Missouri in May 2007, Air Force Predator 

UAVs were  on  standby  to  offer  assistance  in  the  flooding  recovery  efforts  (Arana‐

Barradas, 2007).   

In  his  spring  2008  speech  to  Air  Force  officers  at  Air  University,  Defense 

Secretary Robert M. Gates pointed  to  the  fact  that within  the Department of Defense 

(DOD) there has been a 25‐fold  increase  in UAV operations since 2001.   He then went 

on  to say  that  this  increase  is not enough.   To support  the  troops  in Afghanistan and 

Iraq, work must be done to further integrate UAVs into the force and operations (Gates, 

2008).   

One  of  the  efforts  to  further  integrate UAVs  into  the  force  is  to maximize  the 

human‐to‐UAV ratio as a “force multiplier.”  In fall 2006, General William T. Hobbins, 

in  command  of  the Allied Air Component Command  and  European Command Air 

Component, publicly stated that part of the solution to the growing UAV demand will 

be  to have a  single operator  controlling multiple UAVs  (Culbertson, 2006), because a 

11 

Page 13: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

single  operator  is more  efficient  for  cost  and  operational  tempo  (Barbato,  Feitshans, 

Williams, & Hughes, 2003; Tsach et al., 2007). 

To achieve force multiplication, humans will need to perform a supervisory role 

as  vehicles  become  more  autonomous,  instead  of  attending  to  low‐level  tasks  like 

manually flying the aircraft.  One way to help humans efficiently and safely execute this 

supervisory task is to maximize the use of each sensory channel to convey information.  

In  aviation, pilots use visual  and  auditory  senses when  flying  an  aircraft.   A unique 

aspect  of  UAV  supervision, which  occurs  remotely,  is  that  if  the  operator  requires 

natural signals that occur in manned aviation, the signals must be synthetically created. 

UAV displays are predominantly visual displays and are typically mounted  in mobile 

trailers,  truck  beds,  or  backpacks.    With  advancing  technology,  there  are  new, 

unexplored ways to provide display information across multiple sensory channels.   

When  there  is  an  overload  of  information,  utilizing  different  and  multiple 

sensory  channels  can  effectively  increase  the  amount  of  information  processed 

(Wickens, Lee, Liu, & Becker, 2004).  When using multiple sensory channels (or modes), 

certain forms of information are better conveyed through an audio presentation, while 

others  are  better  conveyed  through  a  visual  presentation  (Deatherage,  1972;  Sorkin, 

1987).   Table  1‐1 provides  a  list  of  known  benefits  for  the  visual  and  audio  channel 

presentations.    A  notable  benefit  for  auditory  presentation  is  its  effectiveness  at 

representing  simple  events  occurring  in  time  and  requiring  immediate  action,  as 

opposed  to  complex  events  occurring  at  a  location  in  space  and  not  requiring 

immediate action.  Further, because of its omnipresence, audio is usually the preferred 

sense  for presenting  a warning  (Simpson & Williams,  1980;  Sorkin,  1987).   Thus,  the 

audio channel is effective in warning of potential problems.       

12 

Page 14: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Table 1‐1: Auditory Versus Visual Presentations (Deatherage, 1972; Sorkin, 1987). 

Use auditory presentation if: Use visual presentation if: 1. The message is simple. 1. The message is complex. 2. The message is short. 2. The message is long. 3. The message will not be referred to later. 3. The message will be referred to later. 4. The message deals with events in time. 4. The message deals with location in space. 5. The message calls for immediate action. 5. The message does not call for immediate action. 6. The visual system of the person is overburdened.

6. The auditory system of the person is overburdened.

7. The receiving location is too bright or dark. 7. The receiving location is too noisy. 8. The person's job requires him to move about continually.

8. The person's job allows him to remain in one position.

 

In  addition  to  information  presentation  modality,  another  concern  is  what 

specific information is conveyed.  When placed in a supervisory control role, a human 

operator may have to respond to an  interruption  to a primary task of monitoring.   To 

respond,  the  operator  needs  an  understanding  of what  has  occurred  in  the  system, 

either  as  an  output  of  an  action  or  as  a  result  of  an  unseen  change  (Scott, Mercier, 

Cummings, & Wang,  2006;  St.John,  Smallman, & Manes,  2005).   A  potential way  to 

support operator understanding of a monitored  task’s state  is  to continuously present 

information  so  that  the operator  can  immediately determine a  task’s  current  state, as 

well as projected future states.   

The objective of this research is to explore ways to combine audio displays with 

visual  displays  to  support  supervisory  tasks.  In  particular,  this  research  focuses  on 

comparing continuous to discrete audio displays to understand the effects of a constant 

versus discrete presentation of information.  Discrete audio displays play an alert once 

for about a second when a monitored task exceeds limits.  In contrast, continuous audio 

displays  are  audio  displays  that  always  indicate  some  system  state.    Chapter  2, 

Background, will further frame the context of the research of this thesis.   

 

13 

Page 15: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

1.1. Problem Statement 

  The primary questions addressed through this research are: 

 1.   When  compared with discrete audio, does  continuous audio better aid human 

supervision of UAV operations? 

2.    Is  the  effectiveness  of  the discrete  or  continuous  audio  support dependent  on 

operator workload? 

  Three  steps  are  followed  in  this  thesis  to  address  the  research questions:  (1)  a 

multiple‐UAV simulator, the Multiple Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) 

test bed, is selected, (2) audio displays are developed and integrated into this multiple‐

UAV  simulator,  and  (3)  human  operator  performance  is  tested  in  the  MAUVE 

environment to compare continuous and discrete audio displays. 

    

1.2. Thesis Organization 

This thesis is organized into seven chapters: 

 • Chapter  1,  Introduction,  provides  the  motivation  of  this  research,  research 

questions, and the research objectives of this thesis. 

• Chapter  2,  Background,  reviews  the  current  Unmanned  Aerial  System  (UAS) 

environment and the needs of the human operator supervising UAS operations.  

The chapter then frames the research of this thesis in terms of meeting the needs 

of human operators supervising UAS operations. 

• Chapter  3,  Simulator  and  Interface Design,  presents  details  of MAUVE  and  the 

associated  tasks operators supervise on MAUVE.   The chapter  then defines  the 

four  audio  alerts  tested  in  this  experiment with  a  technical  description  of  the 

alerts and their functions. 

14 

Page 16: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

• Chapter  4,  Method,  presents  the  research  questions  of  the  experiment,  the 

experimental apparatus, the experimental task, the participants, the independent 

and dependent variables, and the data collection. 

• Chapter  5,  Results,  discusses  the  statistical  analysis  results.    The  chapter  also 

provides a description of the participants’ post‐test subjective feedback. 

• Chapter 6, Discussion, synthesizes the applicable lessons that can be extrapolated 

from the experimental results. 

• Chapter 7, Conclusion,  reviews  the answers  to  the  research questions, discusses 

continuous  audio  integration  in  the  real world,  and  suggests  areas  for  future 

research. 

 

15 

Page 17: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

16 

Page 18: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

2. Background 

This  chapter  highlights  the  current  shift  toward  unmanned  systems  and  the 

needs this shift generates for controlling these unmanned systems.  It presents attention 

theories  linked  to  possible  solutions  for  aiding  human  operators  in  supervising 

unmanned systems.  Further, this continuous audio research is framed in the context of 

previous research  in audio display support of supervisory tasks.   Finally, a discussion 

of the research hypotheses and the groundings of these hypotheses closes the chapter.   

 

2.1. UAS Evolution 

2.1.1. The Current Push 

Senior military  officials  see  the  need  for  integrating more UAV  operations  in 

support of  the  troops on  the ground  in  Iraq  and Afghanistan  (USAF,  2007; Whitney, 

2007).  Four star Combatant Commanders (COCOMs) highly desire unmanned systems 

for  the  many  roles  these  systems  can  play  (Sullivan,  2008;  DOD,  2007).    Major 

advantages of unmanned systems are that they are cheaper and have more endurance 

than manned aircraft (Barbato et al., 2003; Gates, 2008).  Many of the integral roles that 

COCOMs may envision for UAVs are encapsulated in recent work by Nehme, Crandall, 

and Cummings (2007), which includes a  taxonomy of all the current and potential roles 

that UAVs can perform with today’s technology (Figure 2‐1).    

Unmanned vehicles  are  changing how warfighting  is  conducted,  and  they  are 

vital  to  providing  intelligence  and  reconnaissance  for  troops  on  the  ground.   As  of 

October  2006,  the DOD  has  used  hand‐launched UAVs  to  fly  over  400,000  hours  of 

support missions for Operation Enduring Freedom and Operation Iraqi Freedom (DOD, 

2007).  The Navy used UAVs in the first Gulf War, with Pioneer UAVs performing  

17 

Page 19: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 Figure 2‐1: Possible UAV Missions (Nehme et al., 2007). 

reconnaissance missions  (Banks, 2000).   Currently,  the Navy  is developing a vertical‐

take‐off‐and‐landing  tactical UAV  (VTUAV),  designated  the MQ‐8B  Fire  Scout.    The 

Navy plans to have Fire Scout operational and throughout the fleet  in fiscal year 2009 

(Schroeder,  2008).   The Army has  400 UAVs  in  theater  for  the  Iraq  and Afghanistan 

wars  (Sullivan,  2008).    Currently,  the  Army  has  785  UAVs,  comprised  of  Raven, 

Shadow, Hunter, and Warrior systems, with a proposed increase to 4,755 UAVs by 2023 

(Sullivan,  2008).    The  Air  Force,  too,  is  transitioning  toward  the  use  of  unmanned 

vehicle  technology.    Since  2001,  the Air  Force  has  reduced  fighter  inventory  by  152 

aircraft,  while  simultaneously  increasing  UAS  platforms  by  113,  with  intentions  of 

continuing this over the next several years (Randolph, 2007).   

There  is  a  need  for  automation  and  technology  to  better  support  human 

involvement in managing these unmanned systems.  From January to October 2007, the 

number  of  hours  for mission  sorties  doubled  for UASs  in  the Air  Force,  creating  a 

manning crisis.  Near the end of 2007, the Air Force shifted 120 pilots out of the manned 

cockpit to the ground control stations for UASs (Staff, 2008).   A technological solution 

proposed by many DOD senior leaders and researchers to alleviate this manning crisis 

is  to move  from  a  team  of  operators  controlling  a UAV  to  having  a  single  operator 

18 

Page 20: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

controlling multiple UAVs  (Barbato  et  al.,  2003; Culbertson,  2006; Tsach  et  al.,  2007).  

Figure 2‐2 illustrates this transition.   

Team of people flying

one UAVOne person supervising

mission of multiple UAVS

Team of people flying

one UAVOne person supervising

mission of multiple UAVS

 Figure 2‐2: Transition to Multiple‐UAV Supervision. 

2.1.2. The Human in the System 

The two terms UAV and UAS may appear interchangeable.  However, there is a 

key distinction between  them.   The Office of  the Secretary of Defense has  issued  the 

following definition: 

Unmanned Vehicle. A powered vehicle  that does not  carry a human operator, 

can be operated autonomously or  remotely,  can be  expendable or  recoverable, 

and can carry a lethal or nonlethal payload…Unmanned vehicles are the primary 

component of unmanned systems (DOD, 2007). 

The key point is that the UAV is a sub‐component that helps comprise the overall UAS.   

Another  key  sub‐component  to  the  UAS  is  the  human  operator  controlling  UAV 

operations through a ground control station.   

The term unmanned does not imply removing the human completely because a 

human  is  still  involved  in  unmanned  operations,  even  in  the  most  autonomous 

situation.   The human’s role  is not eliminated  just because the human  is no  longer co‐

located with  the mission  (DOD,  2007).    Even  as  autonomy  progresses,  the  need  for 

19 

Page 21: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

human  reasoning  and  judgment will  never  be  replaced within  the UAS  (Economist, 

2007). Furthermore,  the DOD has  stated  that humans are  still necessary “to  interpret 

sensor information, monitor systems, diagnose problems, coordinate mission time lines, 

manage  consumables  and  other  resources,  authorize  the  use  of  weapons  or  other 

mission activities, and maintain system components” (DOD, 2007).  Thus any UAS must 

be designed to support the role of the human operator in establishing the system’s goal, 

supervising  the  system  to  guide  it  toward  the  goal,  and  ensuring  mission  success 

(Barbato et al., 2003; DOD, 2007). The human operator’s supervisory role is essential to 

UAS operations. This  thesis explores areas  in which new  technology  can  support  the 

single, human operator in supervising the operations of multiple UAVs.     

2.1.3. The UAV Ground Control Station 

To support the supervision of UAS operations, an understanding of the current 

UAV ground control stations is needed.  Today, the Air Force and Army operate most 

UAV missions  from  trailers or  the backs of  trucks.   Most operations rely primarily on 

visual  displays.    In  the  Air  Force,  the  solution  for  providing  additional  missing 

information to UAS operators has been to add more visual displays.  However, humans 

have  a  limited  capacity  of  resources  to  process  information,  so  adding more  visual 

displays  will  only  further  overload  operators  (Wickens  et  al.,  2004).    One  solution 

explored by  this  research  to help humans process more  information  is  adding  audio 

displays that can draw upon more attentional resources without adding significantly to 

the workload.  

Operating  in  field  conditions, UAS  ground  control  environments  can  be  very 

noisy  and  aurally  cumbersome,  with  generators  running  in  the  background  and 

required communication between inter and intra team members.   This is significant to 

note when  considering  auditory  displays.   Any  implementation  of  an  audio  alert  in 

20 

Page 22: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

these types of field conditions will have other audio alerts competing for attention and 

only certain available frequencies over which alerts can be generated and heard.   

 

2.2. Attention Theories 

The processes by which humans acquire and aggregate  information  for proper 

decision  making  and  taking  action  rely  upon  attention  resources  (Parasuraman, 

Sheridan, & Wickens, 2000).  Understanding these processes is important in the design 

of UAV supervisory control because various types and amounts of attention are needed 

for the multiple tasks performed by the UAVs.  This section discusses different attention 

types  and  the  allocation  of  attention  resources  that  are  used  in  human  cognitive 

processing.     

2.2.1. Selective, Divided, and Sustained Attention 

The primary task for an operator overseeing multiple‐UAV operations will be to 

simultaneously monitor particular  tasks across multiple UAVs.   This will  require  the 

UAV  operator  to  time‐share  between  the  tasks  to maintain  continual  awareness  and 

respond  at  the  appropriate  time  to  each  task.    Further,  the missions will  occur  over 

prolonged periods of time, during which the human operator will monitor for abnormal 

conditions  and  also  provide  high‐level  directives  to  the  semi‐autonomous  UAV 

operations. Therefore, it is assumed that in the supervisory control role, UAV operators 

will primarily perform their role with selective, divided, and sustained attention.   

Selective  attention  occurs when  an  operator must  “monitor  several  sources  of 

information  to  determine  whether  a  particular  event  has  occurred”  (Sanders  & 

McCormick,  1993).   An  example  of  selective  attention  in multiple‐UAV  operations  is 

when  a  sensor  operator  is watching multiple UAV video  feeds  to  locate  a particular 

enemy vehicle.    

21 

Page 23: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Divided attention occurs  when “two or more separate tasks must be performed 

simultaneously,  and  attention must  be  paid  to  both”  (Sanders & McCormick,  1993).  

Continuing  with  the  same  example,  the  sensor  operator  may  be  forced  to  rely  on 

divided attention  if he  is required to keep track of a vehicle he has  located, as well as 

continuing to monitor the other video inputs for potential enemy vehicles that require 

some action.  This type of attention requires a form of time‐sharing, where the operator 

splits his time between tasks.   

Sustained attention occurs when an operator “sustains attention over  prolonged 

periods  of  time,  without  rest,  in  order  to  detect  infrequently  occurring  signals” 

(Parasuraman, Warm, & Dember, 1987; Sanders & McCormick, 1993).  This is generally 

the bulk of a UAV surveillance mission.   The sensor operator in the previous example 

will spend a majority of his time simply watching for a change in the videos that would 

indicate an enemy vehicle.   

2.2.2. Attention Resource Theories 

To  maintain  a  high  level  of  performance,  an  operator  must  manage  his 

attentional resources.  A scarcity of resources exists, and this limited pool of resources is 

what  is  drawn  upon  by  the  various  attention  types  (Wickens  et  al.,  2004).    Three 

hypotheses proposed in the literature (Hirst, 1986) to explain attention resources are as 

follows:  

 1. One central resource – a single resource from which all tasks draw. 

2. Multiple  resources  – with  some  tasks  drawing  from  some  resource 

pools  and  not  others.  For  example,  verbal  tasks draw  from  a  verbal 

resource pool and not a visual resource pool. 

3. Both a multiple resources pool as well as a central resource pool. 

 

22 

Page 24: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

In  general,  these  theories  assume  a  scarcity  of  resources.  The  single  resource 

theory holds that there is a single pool for attention resources that is drawn upon for all 

the mental processing  (Kahneman, 1973; Moray, 1967).    It proposes  that humans have 

limited cognitive  resources  in  this single pool and  that when some of  these  resources 

are allocated, alternative tasks can only use what remains unallocated.  There are some 

problems with the single resource theory.  First, when a task is actually performed on a 

single processing  code  (e.g., verbal,  spatial) or modality  (e.g., visual,  auditory), more 

attention  resources  appear  to  be  required  than  when  the  task  is  performed  using 

multiple processing codes or modalities.  Second, within some groupings of tasks, if the 

difficulty  of  one  task  increases,  there  appears  to  be  no  effect  on  the  other  tasks. 

However,  in groupings with similar tasks, when the difficulty of one task  increases,  it 

seems  to  affect  the  performance  on  the  other  tasks  (Sanders  &  McCormick,  1993; 

Wickens & Hollands, 2000).   There appears  to be  interference and  failed  time‐sharing 

within  certain  task groupings, but not others.   These problems  indicate  that perhaps 

there  are  separate  attentional  resource  pools  for  the  different  processing  codes  or 

modalities.  

2.2.3. Multiple Resource Theory 

As opposed to the single resource theory, the multiple resource theory proposes 

that there are multiple independent pools from which attentional resources are drawn.  

As a result, there can be increased efficiency when time‐sharing between multiple tasks 

(Sanders & McCormick,  1993).    Interference,  discussed  in  the  single  resource  theory 

above,  is a  result of multiple  tasks  requiring  resources  from  the same pool.   Multiple 

resource theory propounds that information can be processed concurrently by dividing 

presentation over various channels so that the information is processed simultaneously 

by different pools of attentional resources (Wickens et al., 2004). 

23 

Page 25: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Multiple resource  theory holds  that  the effect one  task has on another depends 

on  the  type of  tasks.   An  example  is when  someone  tries  rubbing his  stomach while 

patting his head.  This is difficult because he has run out of attentional resources, while 

speaking  and  rubbing  one’s  stomach  is  completely possible  because  there  are  ample 

attentional  resources.   Wickens  and  Hollands  (2000),  in  their  model  in  Figure  2‐3, 

explains why.   Their model provides four dimensions to classify which resource pools 

attentional resources are coming from:  stages, input modalities, processing codes, and 

responses.    The  example  of  patting  one’s  head  and  rubbing  one’s  stomach  is  an 

illustration  of  two manual  responses, which  require  resources  from  the  same  pool.  

While  rubbing  one’s  stomach  and  speaking,  respectively,  are  illustrations  of manual 

and  vocal  responses.    Because  they  are  different  response  types,  they  have  different 

attentional pools of resources to draw upon.    

 Figure 2‐3: Attentional Resource Pools (Wickens & Hollands, 2000). 

The focus of this thesis is on using aural and visual input modalities to aid in the 

multiple‐UAV  supervision  task.    Input  modalities  are  the  channels  over  which 

information may be presented  to  an  individual.   Research has  shown  that  if  a  task’s 

information  is presented  in dual coding, on differing modalities, such as  the auditory 

and visual sensory channels, time‐sharing is more efficient (Miller, 1991).  In contrast, if 

24 

Page 26: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

tasks are redundantly coded, on the same modality, such as the auditory and auditory 

or  visual  and  visual  sensory  channels,  interference  occurs  (Sanders  & McCormick, 

1993).   Research by Streeter, Vitello, and Wonsiewicz  (1985) showed human operators 

can  better  process  aural  commands  for  driving, while  the  drivers  are  focusing  their 

visual attention on the road.   

Previous  research  has  shown  that dual  coding,  i.e., displaying  information  on 

two separate modalities is beneficial (Miller, 1991; Streeter et al., 1985).  For example, it 

has been found that using both visual and audio multimedia in unison is a useful way 

to present  information  (Mayer,  1999).    Similarly,  it  should be beneficial  to dual  code 

information in both the visual and audio modalities to aid operators in monitoring UAV 

operations.  The premise of this research is that by dividing the monitoring of tasks over 

multiple modalities, the operator will better be able to integrate all attentional resource 

pools toward efficiently controlling multiple tasks.  In fact, this is not a new idea.  In a 

meta‐analysis of 43 previous studies (Burke et al., 2006), researchers concluded that  in 

UAV  operations  dual  coding  information  on  the  visual  and  auditory  or  visual  and 

tactile modalities  increases performance, while potentially decreasing workload.   One 

study  in  the  UAV  domain  compared  a  visual  display  with  a  visual  display 

supplemented with  an  audio  alert  and  found  enhanced performance with  the  latter.  

This  same  study  also  showed  that  when  going  from  supervising  one  UAV  to 

supervising  two  UAVs,  operator  performance  decreased,  regardless  of  the  display 

(Dixon, Wickens, & Chang, 2005).   This  thesis explores continuous audio alerts which 

have not yet been combined with visual displays for supporting UAV operators.    

 

2.3. Audio Research 

This  thesis  focuses  on  the  use  of  continuous  audio  alerts,  in  particular, 

sonifications,  in  a multi‐modal  display  to  help  an  operator  supervise multiple  tasks 

25 

Page 27: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

across multiple unmanned aerial vehicles.   The existing audio literature is approached 

from three perspectives.  First, audio research for supervisory control with multi‐modal 

displays is reviewed to help frame what types of supplemental audio displays have not 

been researched for application with UAV supervisory tasks.   Second, a form of audio 

that  has  not  been  extensively  researched  in  its  ability  to  aid  supervisory  control  is 

continuous audio.  For this reason, a review of applicable continuous audio research is 

completed.     Third, a  form of continuous audio  that portrays  relations  in  information 

and  information  changes  is  sonifications.    In  closing  this  section,  a  review  of  key 

supervisory control sonifications research is accomplished.     

2.3.1. Supervisory Control with Multi‐Modal Displays 

  A  significant  body  of  audio  research  applicable  for  supervisory  control  of 

multiple  unmanned  vehicles  focuses  on  spatial  audio  (Nehme  &  Cummings,  2006).  

Spatial audio  is 3‐dimensional  (3D) audio  in which audio  is presented so  that specific 

signals  come  from  specific  locations  in  the 360‐degree  range around  someone’s head.  

An example is an audio alert for one UAV presented over a headset directly in front of 

the operator, while alerts for another UAV are connected to signals directly behind the 

operator.   

  The  spatial  audio  research  applicable  to  supporting  operators  performing 

supervisory  tasks  has primarily  focused  on  sound  localization  (Martin, McAnally, & 

Senova,  2001; Wightman & Kistler,  1989), detection  and  localization  of  visual  targets 

(Bolia, DʹAngelo, & McKinley, 1999; Bronkhorst, Veltman, & vanBreda, 1996; Flanagan, 

McAnally, Martin, Meehan, & Oldfield, 1998; Nelson et al., 1998),  collision avoidance 

(Begault  &  Pittman,  1996),  and  navigation  (Moroney  et  al.,  1999).    In  the  aviation 

domain, this research has primarily been applied in the manned cockpit; because of the 

supervisory nature of these tasks, this research is applicable in the unmanned cockpit as 

well.    In  particular,  spatial  audio  has  been  shown  to  help  reduce  search  times  and 

26 

Page 28: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

produce faster response times for target acquisition (Parker, Smith, Stephan, Martin, & 

McAnally,  2004)  and  alert  and  warning  detection  (Begault  &  Pittman,  1996).    The  

literature  suggests  that  spatial  audio  helps mitigate  visual  change  blindness  effects, 

which occur when  an operator  is  so  focused visually on one  task  that  the operator’s 

focused attention causes another visual warning  to be missed    (Nehme & Cummings, 

2006).    Outside  of  spatial  audio,  little  other  audio  research  has  been  done  in  the 

supervisory domain of multiple UAVs.  In combing the audio literature, little applicable 

research is found where ambient noise headphones and associated filtering techniques 

are used to support a supervisory task in a multi‐modal display (Nehme & Cummings, 

2006).  A form of this audio is continuous audio, which is explored next.     

2.3.2. Continuous Audio 

Continuous audio alerts play  continually  to map  information on  the  state of a 

task.  The contrast to continuous audio is discrete audio, which only plays at a discrete 

point  in  time  when  a  task’s  state  changes.    Discrete  audio  can  be  used  to  aurally 

interrupt  an  operator  to  notify  him  of  a  problem. Continuous  audio  is  essentially  a 

peripheral monitoring  system, which  allows  the  operator  to  constantly monitor  for 

abnormal  situations;  in  this case, an operator  is using divided attention  to  time‐share 

their  focus between performing or monitoring multiple  tasks, with  the audio as a cue 

guiding when to shift focus.      

Most audio alert research has focused on discrete alerts in the forms of a “beep” 

and “ding” (Brewster, Wright, & Edwards, 1994).  However, a limited number of formal 

human studies have  investigated continuous audio alerts  (Pacey & MacGregor, 2001).  

The  continuous  audio  research  that  has  been  completed  has  focused  on  using 

continuous audio and discrete audio alerts to enhance a visual display for a monitoring 

task.  Research has shown the addition of continuous audio with a visual representation 

enhances operator performance  (Crease & Brewster, 1998; Pacey & MacGregor, 2001).  

27 

Page 29: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

The  following paragraphs will discuss  the details of  these experiments  that have been 

run with continuous audio.   

One  of  the  first  experiments  run with  human participants was  by Crease  and 

Brewster  (1998).    Participants  completed  a  primary  task  of  typing  poems,  while 

monitoring  the  downloading  of  files  as  a  secondary  task.    Participants  had  either  a 

visual progression display  of  the downloading  or  a  visual  and  auditory progression 

display.   The  results of  the experiment  showed  that participants with  the  continuous 

audio display were significantly quicker at responding than the participants with only 

the visual display.   This  is an example of how displaying  the  information on multiple 

modalities enhanced operator performance for a monitoring task.   

In a similar experiment, Pacey and MacGregor (2001) compared a baseline visual 

display with  the  visual  display  plus  one  of  three  different  audio  displays:  discrete 

chimes, continuous wind, and a continuous audio progress bar.  The primary difference 

between  the audio displays was  the amount of  information presented by  the display.  

The discrete chimes presented two of the task’s properties, i.e., when a task began and 

when  the  task ended, with separate discrete chimes  that played when an event began 

and when  an  event  ended.   The  continuous wind was a  low wind noise  that played 

continually  from  when  a  task  began  until  it  ended.    It  added  a  third  piece  of 

information; as long as the wind was playing, the operator knew that the task was still 

occurring.   The  continuous  audio progress bar presented  six of  the  task’s properties, 

such  as  scope,  initiation,  progress,  heartbeat,  remainder,  and  completion,  through 

continuous  audio  created  by different  arrangements  of  12 different  notes;  this  audio 

played continually throughout an event.  While the results were mixed dependent upon 

what performance metrics were considered, it is clear that adding the audio alert to the 

visual display significantly enhanced  the participants’ ability  to complete  the primary 

and  secondary  tasks.    Pacey  and  MacGregor’s  findings  showed  that  when  simply 

considering  the reaction  times  for catching  the downloads ending,  the audio progress 

28 

Page 30: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

bar was  significantly  better  than  the  chimes,  but  that  the  chimes were  significantly 

better than the wind or visual‐only display.  However, as indicated by the primary task 

metrics,  typing  speed  and  accuracy,  participants  using  the  chimes  performed 

significantly  better  than  the  auditory  progress  bar  or  visual‐only  display.    The 

conclusion,  therefore,  is  that  the  chimes  provided  the  best  results  of  enhancing  the 

ability  to  perform  the  secondary  task  of  catching  download  endings,  without 

hampering the primary task of typing poetry.   

With  Pacey  and MacGregor’s mixed  results  on  the  effects  of  discrete  versus 

continuous audio support on both a secondary and primary task, this thesis will further 

explore whether monitoring tasks in supervisory control is better supported by a typical 

discrete audio alert or a by a continuous audio alert.   Further,  this  thesis will explore 

using both discrete audio and continuous audio in a single audio condition to support 

multiple  supervisory  tasks.    Because  of  the  limited  research  available  on  continuous 

versus discrete audio, the results of this thesis will be an important contribution to the 

audio alert research.  

2.3.3. Supervisory Control Sonifications 

  Continuous  audio  is  defined  above  as  audio  alerts  that  play  continually  to 

provide continual information on a task’s state.  Sonifications are a form of continuous 

audio, in which data and relations in data are mapped to relations in the audio display 

(Kramer, 1994).   An  example of a  sonification  that Tannen  (1998) gives  is  sonar on a 

submarine that indicates the distance of a torpedo.  As the torpedo gets closer, the sonar 

beeps become more  intense on a continual scale.   The  intensity of  the beeps provides 

relational data of how far the torpedo is from the submarine.  Sonifications are a subset 

of  continuous  audio.    The  torpedo  example  is  sonification  in  particular,  because  the 

intensity of beeping noise provides  the relational data of how  far  the  torpedo  is  from 

the submarine.      

29 

Page 31: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

  Research  has  shown  sonifications  to  be  beneficial  in  medical  and  assistive 

technologies,  scientific  visualizations,  engineering  analysis,  emergency  alerts,  and 

aircraft  cockpits  (Barrass & Kramer,  1999). One  example  in  the medical  domain  is  a 

study by Loeb and Fitch  (2002)  that compared  three  types of anesthesiology displays: 

visual only, auditory only, and a combined visual and auditory display.   The  task  for 

participants was  to monitor  if any of  six vital  signs  exceeded normal  limits.   For  the 

auditory  displays,  participants  received  independent  streams  of  audio  for  the  vital 

signs.  For the heartbeat, the audio was a low‐pitched, repetitive, thudding to resemble 

what one may envision  the heart sounding  like.   For  the respiratory system, a higher‐

pitched  amplitude‐modulated  signal  was  used.    For  the  remaining  four  vitals, 

variations  of  modulation  and  filtering  were  used  to  generate  the  audio.    The 

participants with  the  combined  visual  and  audio  display  had  the  quickest  reaction 

times, but the visual‐only display produced the most accurate reactions.   

In  a  similar  anesthesiology  study,  Watson  and  Sanderson  (2004)  asked 

participants  to divide  their  attention between monitoring  for  an  abnormal  event  and 

performing  some  other  primary  task.    Thus, monitoring was  a  secondary  task.    In 

particular,  they  tested  various  modalities  in  supporting  anesthesiologists  and  non‐

anesthesiologists  in monitoring  a  respiratory  rate  as  the  secondary  task.   There were 

three displays  tested:  sonifications only, visual only,  and  combined  sonifications  and 

visual.  The sonifications were respiratory sonifications in which the breathing rate was 

mapped  to  a  pure  tone with musical  notes  on  the  third  interval,  for  inhalation  and 

exhalation.   Watson  and  Sanderson  (2004)  results  illustrated  that  regardless  of  the 

display modality, the performance was the same for the secondary task of monitoring 

the breathing, but  that  for  the  time‐shared primary  task, participants performed best 

with the combined display.  These results show the benefit of the combined display in 

helping participants time‐share.  However, because only sonifications were used as the 

audio support  in these experiments, there  is no comparison between sonifications and 

30 

Page 32: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

discrete audio.  This comparison is what this thesis will explore.  Further, these results 

are  limited  in  that  they  only  tested  the  effect  of  the  displays  on  an  anesthesiologist 

monitoring a single patient.  This thesis will analyze the benefits of sonifications while 

monitoring multiple tasks (UAVs) as opposed to a single task.   

  

2.4. Research Hypotheses 

Having  framed  the  research of  this  thesis,  two hypotheses  are proposed.   The 

first hypothesis  is that  in comparison with a discrete audio scheme, continuous audio, 

in the form of a sonification, improves operator performance for monitoring sustained 

and  divided  attention  tasks  in  a  time‐intensive  dynamic  environment.    Continuous 

audio reduces the uncertainty of a future state by allowing operators to monitor trends 

in  a  changing  state over  a  secondary modality.   Further, by placing  this  information 

over  the  audio  channel,  there  is  immediate  access  to  the  information.    Immediate 

information  access  is  important  to  performance  because  humans  tend  to  re‐check 

signals repeatedly because of limited human memory (Moray, 1981).   

The  second  hypothesis  is  that  the  benefits  of  continuous  audio will  be more 

beneficial for operators controlling multiple vehicles rather than a single vehicle, since 

the workload under the multiple case is significantly higher.  Because the monitoring of 

multiple  vehicles  increases  workload, more  attentional  resources  are  required  from 

supervisors.  The  addition  of  the  audio  displays  to  the  visual  display  provides  an 

additional pool  from which  to draw attentional  resources  for processing  some of  the 

information  for managing  the UAVs.    Furthermore,  the  continuous  audio  allows  for 

more  information  to  be  presented  over  the  audio  sensory  channel  than  the  discrete 

audio because it provides a continual status.  Because it provides more information than 

the  discrete  audio,  the  expectation  is  that  in  a  high workload  situation, where  the 

attentional  resources  are  fully  utilized,  the  additional  continuous  audio  will  allow 

31 

Page 33: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

operators to draw more attentional resources from the audio resource pool, which will 

better support their performance.     

  To test these hypotheses, a multiple‐UAV simulator experiment was conducted, 

which will be discussed in more detail in Chapters 3 and 4.   

32 

Page 34: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

3. Simulator and Interface Design 

The  Multiple  Aerial  Unmanned  Vehicle  Experiment  (MAUVE)  test  bed  was 

developed  in  previous  research  to  allow  human  operators  to  perform  supervisory 

control  tasks as  they monitor  the progression of multiple UAVs arming and  firing on 

targets,  performing  battle  damage  assessment,  and  avoiding  threat  areas  (Mitchell, 

2005).    The  following  sections  will  present  how  MAUVE  was  customized  for  this 

experiment and the form of the audio displays that were created and integrated into the 

MAUVE interface for this experiment.    

 

3.1. Multiple Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) Test Bed 

MAUVE  is a  two  screen  interface  that allows  the  simulation of any number of 

UAVs  conducting  strike  operations  in  hostile  environments.    MAUVE,  for  this 

experiment,  allowed  the  operator  to  arm  and  fire  on  targets with  various  priorities, 

while monitoring each UAV’s flight of path, event timeline, and radio traffic. 

The MAUVE test bed provided a map for geo‐spatial tracking of UAVs on their 

preset  flight  paths,  along with  an  interaction  control  panel  for making UAV  control 

inputs (Left Display, Figure 3‐1). Control  inputs  included arming and firing a UAV to 

destroy  targets,  directing  specific  path  changes,  and  acknowledging  radio  calls.  For 

each  control  input, operators  simply  clicked one or  two buttons on  the  control panel 

(Figure 3‐2). 

A timeline for each UAV, a scheduling decision support visualization (DSV) for 

each  UAV  (which  will  be  discussed  in  detail  in  a  subsequent  section),  and  chat 

interfaces were also provided (Right Display, Figure 3‐1).  This timeline display helped 

operators ensure UAVs would be on time to targets by monitoring when UAVs would 

arrive at targets and in what phase of the mission they were currently located.  In  

33 

Page 35: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

   Map Display Timeline Display

Figure 3‐1: Multiple Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) Test Bed. 

 

 Figure 3‐2: UAV Interaction Control Panel 

 

34 

Page 36: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Table 3‐1: UAV Color‐Coded Flight Phases 

UAV Action  Color 

Enroute  Gray 

Loitering  Blue 

Arming Payload  Yellow 

Firing Payload  Orange 

Return to Base  Green 

 

particular, the timeline used the color‐coding provided in Table 3‐1 to represent the 

phase of flight. 

The general  task  for MAUVE operators  for  this experiment was  to monitor one 

or more UAVs on a preplanned mission  involving several waypoints and  targets. The 

primary  task  of  the  operator was  to  ensure weapons were  dropped  on  the  correct 

targets during the specified windows of opportunity. However, unexpected head winds 

or crosswinds could cause UAVs  to slow  their speed or drift off course, requiring  the 

operator to take corrective action for projected target late‐arrivals or course‐deviations.  

Late‐arrivals were a higher priority than course‐deviations.  In addressing late‐arrivals, 

the priority of  the  target  (high, medium, or  low) also had  to be addressed, because a 

high priority target was more important than a medium priority target, and so on.   In 

addition, operators also had  to ensure  the UAVs would  return  to base by a  specified 

time. 

Figure 3‐3 provides the visual representation for a late‐arrival.  A black rectangle 

on the timeline showed when the UAV was going to arrive at the labeled target, and it 

changed from black to red when the UAV was going to be late. This could also be seen 

when  the  black  rectangle  moved  past  the  orange  window  of  opportunity.  On  the 

timeline below, the red rectangle labeled “T‐1L” indicates that the UAV will be late to 

35 

Page 37: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

target T‐1L.  In contrast, the black rectangle labeled “T‐2M” indicates that the UAV will 

be on time to target T‐2M. 

 Figure 3‐3: Late‐arrival Illustration. 

  The  decision  support  visualization  (DSV) was  an  additional  visual  tool  used 

when a UAV was late to a target.  The DSV was designed to illustrate the current state 

of a UAV and the projected future what‐if states of a UAV.  The DSV was located at the 

right edge of each UAV’s  timeline  in  the Timeline Display  (Figure 3‐1).   For example, 

the DSV in Figure 3‐4 illustrates that the UAV is late to a high priority target by having 

a dark gray rectangle with an H  in the rectangle’s center  in the  late‐arrivals section of 

the DSV.   After the operator checks the timeline and sees that the UAV  is going to be 

late to T‐7H, he highlights T‐7H on the DSV, posing a what‐if.   The DSV now shows the 

projected  future  state  in  the  projection  section.    If  target  T‐7H’s  time  on  target  is 

delayed,  the UAV will  still be  late  to a high priority  target.   The  light gray  rectangle 

with the H within the rectangle of Figure 3‐4 illustrates that the UAV will still be late to 

a high priority target. 

 

H

H

Figure 3‐4: Decision Support Visualization (DSV) 

The  green  line  in  Figure  3‐5  indicates  the  plotted  and  desired  flight  path.  

Anytime  the  UAV  completely  departed  from  the  green  course  line,  the  UAV  was 

36 

Page 38: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

considered  to  have deviated.   During  the  simulation,  the UAV  constantly  fluctuated 

back and  forth on  the  flight path, but participants were  trained  to  respond when  the 

UAV actually was no  longer  touching  the  course  line.   Below  are  images  illustrating 

UAV 3 on course, almost off course, and off course. 

       

        On Course              Almost Off Course      Off Course 

Figure 3‐5: Course‐deviation Illustration. 

Two  tasks  were  selected  in  MAUVE  for  continuous  audio  (sonification) 

representation.  Both were secondary monitoring tasks, and both were also intertwined 

with  the primary  task  in  a way  that  the  secondary  task had  to be  completed  for  the 

primary  task,  firing  on  the  various  targets  on  the  flight  path,  to  be  successfully 

achieved.  

The first secondary task was monitoring for late‐arrivals to targets.   Each target 

was either a high, medium, or low priority target.  On time arrivals and late‐arrivals to 

high, medium, or low priority targets were four discrete events to which the continuous 

audio had  to be mapped.   Continuous  audio  could be used  to  represent  the  state of 

UAVs  in  that  the audio would play continually,  indicating which of  the  four  states a 

UAV was in at any point in time.  In particular, for this setup the continuous audio was 

modulated so that it would convey the priority of the target to which one was late.  For 

example,  as will  be  discussed  later,  there were modulated  increases  in  the  audio  to 

indicate a high priority  target  in contrast  to a  low priority  target.   That  is what made 

this a sonification. 

Monitoring for course‐deviations was the other event to which continuous audio 

was mapped.  This was an ideal continuous event in that the UAV could start on course 

37 

Page 39: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

but then on a continual scale progress away from the course line.  Again, this changing 

continuous  audio was mapped  to  the  rate of  change with which  a UAV  traveled off 

course, making the audio a sonification.   

 

3.2. Four Auditory‐alerts 

Four auditory alarms were created  to  test  the effect of discrete and continuous 

alarms in helping operators monitor for late‐arrivals and course‐deviations in MAUVE.  

Presented  in  Figure  3‐6,  these  four  auditory‐alerts  were  1)  an  oscillating  course‐

deviation alert, 2) a modulated  late‐arrival alert, 3) a  threshold course‐deviation alert, 

and 4) a threshold late‐arrival alert. 

 Figure 3‐6: Four Auditory‐alerts. 

The  oscillating  and modulated  alerts were  continuous  alarms;  they  provided 

continual  audio  information  about  the  state  of  a  particular  variable  within  the 

simulator.    Instead  of  indicating  a  clear  distinct  threshold,  the  oscillating  and 

modulating alerts gradually increased as the severity of either the late‐arrival or course‐

deviation  condition  increased.    The  threshold  alerts  were  designed  to  be  discrete 

38 

Page 40: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

alarms;  they  emitted  a  single discrete  audio  alert when  some precondition was met.  

These  four  auditory  alerts were  presented  to MAUVE  operators  through  the HDiSP 

(Headset Display), which will be discussed further in the next section.   

 

3.3. Sensimetrics HDiSP 

All  audio  alerts were presented  equally  in  both  ears  through  the  Sensimetrics 

HDiSP1.   Pictured  in  Figure  3‐7,  the HDiSP  is  an  over‐the‐head  headset with  sealed 

around‐the‐ear ear cups.  The HDiSP provides ambient noise attenuation ranging from 

35 to 40 dB for the spectrum between 500 and 8 kHz. The headset has integrated digital 

signal  processors,  which  produce  the  signals  used  in  this  experiment  based  on 

generative audio filters and processing of the ambient signal, which was received from 

microphones mounted on  the headband.   The next  section will provide  the  technical 

description of how each alert was displayed. 

 Figure 3‐7: Sensimetrics Headset Display (HDiSP). 

3.4. Technical Description of Auditory‐alerts 

The  auditory‐alerts  created  for  this  experiment  were  generated  through 

collaborative work between MIT’s Humans  and Automation Laboratory  and Charles 

                                                 1 Contact Dr. Thomas Edward von Wiegand, at [email protected], for further information on the Sensimetrics HDiSP.

39 

Page 41: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

River Analytics,  Inc.   The primary  consideration  in designing  the audio alerts was  to 

create audio that would capture the human operator’s attention and effectively convey 

the necessary information to the operator.  To design to these parameters, there were a 

few  guidelines  followed  Deatherage  (1972)  and  Sanders  and  McCormick  (1993)). 

Appendix A has a compilation of the design principles.   Further, each audio alert was 

designed  to  always  alert  to  the  worst  condition.    Therefore,  in  the  multiple‐UAV 

condition, where multiple UAVs  could  be  having  course  deviations,  the  audio  alert 

played for whichever UAV currently was furthest off course.   

The oscillating course‐deviation alert represented both the existence and severity 

of the UAV course‐deviations. The alert consisted of comb filters that were applied to a 

mix of pink noise and the ambient signal. Using pink noise means that filters equalized 

the energy of sound at each octave level, resulting in a constant level presentation of the 

audio.  The mix ranged from 0.2 pink noise for low deviation to 0.9 pink noise for high 

deviation. The comb filters had a base delay of 0.2 ms, with a 50 percent mix of the base 

signal  and  a  feed  forward  delay.  The  delay  values were  then  oscillated  to  create  a 

periodic  signal.  Because  this was  a  continuous  audio  scheme,  the  oscillating  course‐

deviation alert played continually to provide an auditory image of UAV path position. 

As a UAV drifted further off course, the frequency of oscillation of the comb filter delay 

decreased from 17 Hz to 4.5 Hz, and the depth of oscillation increased from 0.2 ms to 0.7 

ms, on a continual scale. 

The  threshold  course‐deviation  alert  consisted  of  a  single  beep  with  a 

fundamental frequency of 1000 Hz.  The beep lasted around 8 ms and played whenever 

a UAV moved completely away from the UAV’s plotted course line. 

The  modulated  late‐arrival  alert  consisted  of  discrete  harmonic  signals 

continuously  playing  to  indicate  a  projected  late‐arrival  at  a  target.  These  sounds 

played continually until  the operator addressed  the  issue with  the corrective action of 

choosing  to delay  the UAV,  skip a  target, or  the  issue disappeared because  the UAV 

40 

Page 42: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

automatically continued past the target when the UAV was going to be late to the next 

target. The harmonic signals were composed of five Formant filters that were applied to 

a mix of pink noise and the ambient signal. During the condition of no  late‐arrivals, a 

baseline audio condition was generated with two filters set to 261.6 Hz, two filters set at 

329.4 Hz, and one filter set at 392.0 Hz (a major C triad with extra balance  in the root 

and third).  If the UAV was late to a low priority target, a signal was generated with two 

filters set to 261.6 Hz, two filters set at 311.1 Hz, and one filter set at 392.0 Hz (a minor C 

triad with extra balance in the root and third). If the UAV was late to a medium priority 

target, a  signal was generated with  three  filters  set  to 293.6 Hz and  two  filters  set at 

415.3 Hz (a tritone interval with a D root). If the UAV was predicted to be late to a high 

priority target, a signal was generated with three filters set to 369.9 Hz and two filters 

set at 523.25 Hz (a tritone interval with an F# root). As the priority increased, the pink 

noise mix  also  increased,  from  0.25  for  the baseline,  to  0.7,  0.8,  and  1.0  for  the  three 

priority levels.   

Differing  from  the  threshold  course‐deviation  alert,  the  threshold  late‐arrival 

alert consisted of a single beep with a fundamental frequency of 415 Hz, instead of 1000 

Hz.  In addition, the beep lasted around 18 ms, instead of 10 ms, and played whenever a 

UAV was projected  to be  late  to any  target.   A UAV was determined  late  to a  target 

when  the UAV had exceeded  the UAV’s window of opportunity  to destroy  the  target 

and was  not  going  to  be  able  to  get  over  the  target  in  time  to  fire  on  it  during  the 

allotted time window in which the UAV was required to be at the target. 

41 

Page 43: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

42 

Page 44: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

43 

4. Methods 

After  integrating  the audio alerts discussed  in Chapter 3, Simulator and  Interface 

Design, into MAUVE, an experiment was conducted to compare continuous audio and 

discrete  audio  alerts  in  aiding  single  operator  awareness  in  controlling  multiple 

unmanned vehicles.   This chapter will review the experimental questions, the setup of 

the experiment, and the design of the experiment for evaluating the research questions.   

 

4.1. Experimental Questions 

The  objective  of  this  experiment was  to  determine whether  continuous  audio 

helps  maximize  the  information  conveyed  to  UAV  operators  more  efficiently  than 

discrete  alarms,  which  are  typically  used  in  current  ground  control  stations.    In 

addition,  the  impact of continuous versus discrete alerting on operators moving  from 

control of single to multiple UAVs was also a research question. 

To explore these objectives, two null hypotheses were tested in this research: 

 1. For various combinations of discrete and continuous alerts, there is no difference 

in the operator’s performance. 

2. There is no interaction between the discrete and continuous alert combinations 

and whether the operator is controlling one or multiple UAVs.    

 The  alternative hypothesis  for  the  first null hypothesis,  therefore, was  that  there  is  a 

difference, and for the second null hypothesis, that there is an interaction. 

 

Page 45: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

4.2. Experimental Apparatus 

The experiment was administered in a testing room with a background ambient 

noise  level  of  ~64dB  on  a C‐scale.   MAUVE was  run  on  a multi‐modal workstation 

(MMWS)  (Osga, VanOrden, Campbell, Kellmeyer, & Lulue, 2002).   Pictured  in Figure 

4‐1, the MMWS is a four‐screen computer display. 

 Figure 4‐1: Multi‐Modal Workstation (MMWS) (Osga et al., 2002). 

The three screens across the top were 21 inches and set to display at 1280 x 1024 

pixels, 16 bit color resolution, and the 15 inch bottom center screen was set at 1024 x 768 

pixels,  32  bit  color  resolution.    The  computer  used  to  run  the  simulator was  a Dell 

Optiplex  GX280  with  a  Pentium  4  processor  and  an  Appian  Jeronimo  Pro  4‐Port 

graphics card. Participants controlled the simulator through a generic corded computer 

mouse. Throughout the experiment, the top left display showed the mission objectives 

and priorities, and the bottom center one displayed the color‐coding for MAUVE (Table 

3‐1). The top center display contained the left MAUVE map and interaction display, and 

the top right display included the right MAUVE timeline and decision support display 

(Figure 3‐1).  

44 

Page 46: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

For  this  experiment,  the  operator  was  given  the  following  as  the  primary 

objective  for  each mission: Make  sure  the  UAV(s) maximize  the  number  of  targets 

engaged as well as arrive back at the base safely. 

Further,  supervision of each of  the UAV(s)  for each mission was broken down 

into the following prioritized sub‐tasks, from highest priority to lowest: 

 1. Return to base (RTB) within the time limit for the mission (this limit was clearly 

marked). 

2. Comply with recovery rules for course‐deviations. 

3. Comply with recovery rules for target late‐arrivals. 

4. Destroy all targets before their time on target (TOT) window ends.. 

5. Avoid taking damage from enemies by avoiding all threat areas. 

6. Acknowledge all “Push” radio calls. 

 Participants  were  trained  to  follow  these  priorities,  and  the  objectives  and 

priorities  above  were  displayed  to  them  throughout  the  experiment.    Within  the 

priorities,  recovery  rules of how  to  recover  the UAV  from a  course‐deviation or  late‐

arrival were also displayed.  The instructions on how to comply with recovery rules for 

course‐deviations were  to  click  “Reset Navigation” on  the  control panel  (Figure  3‐2).  

This theoretically reset the onboard navigation in the UAV and caused that UAV to fly 

back to the planned flight path. 

The  instructions  on how  to  comply with  recovery  rules  for  target  late‐arrivals 

were as follows: 

 • Low Priority – Click “Skip Target.” 

• Medium  Priority  –  Click  “Skip  Target”  or  employ  the  decision  support 

visualization (DSV). 

• High Priority – Employ DSV before requesting delay or clicking “Skip Target.” 

45 

Page 47: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

For low priority targets, clicking the “Skip Target” button on the control panel (Figure 

3‐2) would cause the UAV to proceed immediately to the next target.  For medium and 

high priority targets, the option was given to use the DSV.  As discussed in Chapter 3, 

Simulator and Interface Design, the DSV (Figure 3‐4) is a tool that illustrates the effect that 

delaying  the  time  on  target  for  one  late  target  has  on  the  remaining  targets  for  that 

UAV’s  flight  plan.  With  the  assistance  of  the  information  presented  in  the  DSV, 

participants  then decided whether  they  should  click  the  “Skip Target”  button  or  the 

“Request Delay” button on the DSV.  If they clicked “Request Delay,” participants then 

had to wait to see  if a delay was granted, and  if the delay was granted, the UAV was 

then no  longer  late  to  the  target and would be able  to destroy  the  target.   For a high 

priority target, the immediate response was to employ the DSV. 

  

4.3.  Experimental Design 

4.3.1. Independent Variables 

The  experiment  was  a  4x2  fixed  factor  repeated  measures  model,  with  two 

independent  variables:  the  audio  condition  (a  between‐subjects  treatment),  and  the 

number of vehicles under control (a repeated within‐subjects factor).   

The  four  levels  of  the  audio  condition  factor  were  combinations  of  the  four 

auditory‐alerts  described  earlier  in  Figure  3‐6  in  Chapter  3,  Simulator  and  Interface 

Design.    Every  participant  was  exposed  to  two  of  the  alerts  shown  in  Figure  3‐6.  

Participants were presented one audio alert from the course‐deviation columns, either 

the  oscillating  course‐deviation  alert  or  the  threshold  course‐deviation  alert,  and  one 

audio alert  from  the  late‐arrival column, either  the modulated  late‐arrival alert or  the 

threshold  late‐arrival  alert.    The  four  audio  conditions  were  the  following:  (1)  the 

threshold audio condition for both the late‐arrivals and course‐deviations (BothThresh), 

46 

Page 48: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

(2) the continuous oscillating course‐deviation audio condition, with threshold alert for 

the  late‐arrivals  (DevCont),  (3)  the continuous modulated  late‐arrival audio condition, 

with  a  threshold  alert  for  course‐deviations  (LateCont),  and  (4)  the  both  continuous 

audio  condition,  which  consisted  of  the  oscillating  course‐deviation  alert  and  the 

modulated late‐arrival alert (BothCont). 

The second independent variable, the number of vehicles under control, had two 

levels:  single‐UAV and multiple‐UAV.    In  the  single  level,  the participant  supervised 

only one UAV, while in the multiple level, the participant supervised four UAVs.  The 

framework of this experiment is represented in Table 4‐1. 

The  experiment  was  counterbalanced;  a  random  half  of  the  participants 

completed the single‐UAV scenario first, and the other half finished the multiple‐UAV 

scenario first.  Additionally, the participants were randomly assigned to the four audio 

schemes to avoid confounding effects.   

Table 4‐1: Experimental Conditions 

Scenario (Repeated)

Single-UAV Multiple-UAV

BothThresh Threshold Course-deviation,

Threshold Late-arrival Participants 1-9 Participants 1-9

DevCont Oscillating Course-deviation,

Threshold Late-arrival Participants 10-19 Participants 10-19

LateCont Threshold Course-deviation,

Modulated Late-arrival Participants 20-29 Participants 20-29

Audio Scheme

(Between)

BothCont Oscillating Course-deviation,

Modulated Late-arrival Participants 30-39 Participants 30-39

 

47 

Page 49: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

4.3.2. Dependent Variables  

Dependent  variables  included  the  number  of  missed  course‐deviations,  the 

reaction  time  to  correct  course‐deviations,  the  number  of  missed  late‐arrivals,  the 

reaction time to correct projected late‐arrivals, the number of missed radio calls, and the 

NASA TLX scores.  These are discussed in detail below. 

4.3.2.1. Course Deviation Errors of Omission  

In  each  test  scenario,  participants were  expected  to  respond  to  four  triggered 

course‐deviations.  See Appendix B for a timeline of the events for both the single and 

multiple‐UAV  scenarios.   Again,  as  illustrated  in  Figure  3‐5,  a  course‐deviation was 

defined as a UAV no  longer appearing  to  follow  its planned  flight path. Anytime  the 

participant  failed  to  respond  to  one  of  four  triggered  course‐deviations,  an  error  of 

omission was counted.   This simply meant that the participant failed to recognize and 

address one of  the  four cued course‐deviations before  the UAV self‐corrected.    In  the 

event that a course‐deviation was missed, this data point was treated as a missing data 

point for calculating the course‐deviation reaction times. 

4.3.2.2. Course‐deviation Reaction Times  

The  reaction  time  for  a  course‐deviation  event  was  the  time  taken  by  the 

participant to make a corrective input after one of the four course‐deviations had been 

triggered.  The course‐deviation reaction time used for data analysis was an average of 

the  reaction  times  for  the course‐deviations  that  the participant  responded  to per  test 

scenario. 

4.3.2.3. Late‐arrival Errors of Omission  

Four  late‐arrivals occurred  in each  test scenario.    Illustrated  in Figure 3‐3,  late‐

arrivals were caused when a UAV slowed down because of unforeseen headwinds and 

was no  longer able  to reach a  target  in  time  to complete  the  firing mission.   Errors of 

48 

Page 50: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

omission for late‐arrivals occurred when the participant failed to respond to one of the 

four triggered late‐arrivals.   This simply meant that the participant failed to recognize 

and address the late‐arrival before the UAV automatically moved past the target.  In the 

event that a late‐arrival was missed, this data point was treated as a missing data point 

for calculating the late‐arrival reaction  

4.3.2.4. Late‐arrival Reaction Times  

The  late‐arrival  reaction  time was  the  time  taken by  the participant  to make a 

corrective  action  after  one  of  the  four  late‐arrivals  was  indicated.    The  late‐arrival 

reaction  time used  for data analysis was an average of  the reaction  times  for  the  late‐

arrivals that the participant responded to per test scenario. 

4.3.2.5. Secondary Workload Assessment (Radio Calls Missed)  

As  a  secondary  workload  task,  the  number  of  missed  radio  calls  was  an 

indication of the operator’s  level of mental workload.   The count of missed radio calls 

measured spare mental capacity.  Participants were instructed to monitor a recording of 

continual air  traffic radio chatter  for  the word “Push.”   The word “Push” occurred 62 

times in a 30 minute session, with an average of 27 seconds between each “Push” radio 

call.    To  acknowledge  the  radio  call,  participants  clicked  an  “Acknowledge  Push” 

button on the display (Figure 3‐2). 

4.3.2.6. Subjective Workload Assessment (NASA TLX Score) 

The National Aeronautics and Space Administration  (NASA) Task Load  Index 

(TLX)  gathered  participants’  subjective  assessment  on  a  scale  of  1  to  20  of mental 

demand, physical demand,  temporal demand, effort, performance, and  frustration.   A 

participant was then asked to rate these six dimensions against each other to determine 

their importance in the participant’s workload (Hart & Staveland, 1988). Since there was 

49 

Page 51: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

no physical demand  in  this experiment, each participant was  told  to rate  the physical 

demand so that it was zeroed out of the score.   

 

4.4. Participants 

Given an a priori power analysis  for a power of 0.80,  the  estimated minimum 

number of needed participants was determined to be 23, and 44 were recruited.   Each 

participant was paid $10 an hour to participate.  The experiment took between 2.5 and 3 

hours to complete.  Participants’ ages ranged from 20 years to 42 years, with an average 

age of 26 years and standard deviation of 6 years.   There were 3 Navy midshipmen, 1 

Army  reservist  specialist,  1  Air  Force  staff  sergeant,  and  39  officers  from  the 

Army/Navy/Air Force.  Overall, the personnel tested had a combined experience of over 

250 years of active duty military service, with each member having an average of 5.8 

years of active duty service.  Five pilots contributed as test participants, and most of the 

28 junior officers tested will be future military pilots.  Overall there were 7 female and 

37 male participants.   

For the data analysis, 5 participants were dropped because of problematic data. 

The first two were omitted because of the failure of the test proctor to administer proper 

training. The  third was dropped because of a 3 day  interruption between  the  single‐

UAV and multiple‐UAV test sessions. The fourth participant was not used because his 

secondary  task data  (i.e., number of push call responses) was an outlier of more  than 

3.29  standard deviations  from  the mean  for  both  the  single‐UAV  and multiple‐UAV 

scenarios.  The fifth participant dropped was an active duty Air Force lieutenant colonel 

with 4 years experience as a maintenance officer and an additional 4 years of flight line 

time  as  a  pilot  and  flight  test  engineer.   He  reported  having  been  diagnosed with 

tinnitus  and  loss  of  high  frequency  tone  in  one  ear.   During  the  audio  training,  he 

reported  not  being  able  to  hear  the  differentiation  between  a  low  and  high  course‐

50 

Page 52: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

deviation with the oscillating course‐deviation alert.   His hearing test results indicated 

age‐induced hearing loss. 

 

4.5. Testing Procedures 

Each  participant  experienced  three  separate  consecutive  phases  in  completing 

the experiment.   Each had a 60  to 70 minute  training  session,  followed by a 70  to 80 

minute test session and then a 10 minute post‐test survey. For the training session, each 

participant completed a consent form and demographics survey, received standardized 

training  from  a  PowerPoint®  tutorial,  a  hearing  test,  audio  training    for  the  specific 

audio  test  condition,  and  a  thirty minute practice  test  session with  a  trial  run  of  the 

NASA TLX.  If required, a participant could do an additional 10 minute practice session 

to  ensure  understanding  of  the  proper  MAUVE  control  actions.    Copies  of  the 

participant  consent  form,  demographics  survey,  tutorial,  and  post‐test  survey  are  in 

Appendices C, D, E, and F, respectively. 

The hearing  test was designed  to  identify whether  the participant suffered any 

hearing loss (either temporary or permanent).  For the hearing test, participants listened 

to a CD of  test  tones  from 40dBSPL down  to 16dBSPL, with 5  frequencies  tested  (500 

Hz,  1 kHz,  2 kHz,  4 kHz,  and  8 kHz).   Participants  acknowledged how many beeps 

were heard in each ear and each frequency. The range tested ensured participants could 

hear to within 3dB of the noise floor of the headset in the normal lab conditions. Based 

on  the method of descending  limits,  the  test was designed so  that hearing 5 beeps or 

more at each  frequency showed adequate hearing  (Snodgrass, 1975; Wundt, 1902).    If 

fewer  beeps  were  heard  at  8  kHz  than  at  1  kHz,  the  participant  exhibited  high 

frequency  loss  (Cooper  &  Owen,  1976;  Humes,  Joellenbeck,  &  Durch,  2006).    Age‐

related permanent loss showed up most at high frequencies (i.e. 8 kHz congestion and 

other  losses  show  up  at  lower  frequencies  and  across  range)  (Walden,  Prosek,  & 

51 

Page 53: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Worthington,  1975).    The  hearing  test  was  generated  by  Dr.  Thomas  Edward  von 

Wiegand of Sensimetrics Corporations, in conjunction with the HDiSP. 

The audio training gave each participant exposure to all of the audio alerts each 

participant would hear.   Participants were presented with  their  respective  late‐arrival 

and course‐deviation alerts, as well as the radio chatter.  After introducing each of these 

individually,  they were  played  to  provide  examples  of  real  test  scenarios.    After  a 

demonstration of  the audio  condition, participants were  encouraged  to play with  the 

audio demonstration software until they were comfortable with recognizing each of the 

alerts. 

After  the  training  was  completed,  each  participant  then  completed  both  the 

single‐UAV  scenario  and  the multiple‐UAV  scenario. At  the  conclusion  of  every  test 

session, MAUVE  generated  a  data  log, with  all  the  previously  discussed  dependent 

variables.    Additionally,  participants  completed  a  NASA  TLX  following  each  test 

session. At  the  conclusion  of  the  test  session,  each  participant  completed  a  post‐test 

survey, was paid, and thanked for his time and involvement.   

 

4.6. Data Collection 

For the collection of the data, all pertinent action sequences in MAUVE, such as 

the  reaction  times  to  correct  course‐deviations  and  late‐arrivals  and  the  radio  call 

acknowledgements of the “Push” radio calls, were recorded  in a MAUVE data file for 

each scenario.  In addition, an Excel® file with the NASA TLX score was generated and 

saved  for  each  scenario,  and  a Camtasia®  video  recording  screen  capture  of  the  two 

MAUVE displays was saved. 

52 

Page 54: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

53 

5. Results 

For statistical analysis, repeated measures analysis of variances (ANOVAs) were 

conducted  for  each  dependent  variable.  The  audio  scheme  factor  was  a  between‐

subjects  factor  for  the  four audio conditions, and  the scenario was a  repeated within‐

subjects  factor of  single‐UAV versus multiple‐UAV  levels.   Excluding  the  late‐arrival 

reaction  times  and  error  of  omission  counts which were  non‐parametric,  all  of  the 

remaining variables  analyzed met normality  and homogeneity  assumptions. While  α 

was set to 0.05, p values between 0.05 and 0.10 were considered marginally significant.  

See Appendix G for further details on the statistical analysis tests. 

 

5.1. Course‐deviation Errors of Omission 

Out  of  the  156  course‐deviations  presented  to  the  39  participants,  9  course‐

deviations were missed (5.8%).  Of the missed course‐deviations, approximately half (4 

course‐deviations) were missed by participants  in  the LateCont audio condition.   The 

data  was  not  normal,  and  the  non‐parametric  tests  (Kruskal‐Wallis)  showed  no 

significant differences between the different audio conditions. 

 

5.2. Course‐deviation Reaction Times 

Figure  5‐1  shows  the means  for  the  course‐deviation  reaction  times  across  the 

four audio conditions  (BothThresh, DevCont, LateCont, and BothCont), with standard 

error bars.  The omnibus test shows there was a statistically significant difference in the 

performance  of  participants  based  on  the  audio  scheme  (F(3,35)=2.878,  p=.05),  and  a 

marginally significant difference due to the scenario (F(1,35)=3.215, p=.08).   Interaction 

was not significant.   After  the omnibus  testing, a Tukey post‐hoc comparison showed 

Page 55: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

that  there  was  one  primary  difference  across  the  audio  scheme.    The  significant 

difference was between  the BothCont and BothThresh audio conditions  for  the single‐

UAV scenario (p=0.02).  There was not a significant difference between any of the other 

points. 

7

8

9

10

11

12

13

14

Single-UAV Multiple-UAV

Mea

n Co

urse

-dev

iatio

n R

eact

ion

Tim

es

(sec

onds

)

BothCont LateCont DevCont BothThresh 

Figure 5‐1: Course‐deviation Reaction Times Treatment Means Plot. 

In Figure 5‐1  there was an apparent division  in  the data based on which audio 

alert was present for the course‐deviation.  As part of the post‐hoc analysis based on the 

data clustering in Figure 5‐1, with the BothCont and DevCont appearing in one group 

and  the LateCont and BothThresh  in another group,  the model was reconfigured as a 

2x2  fixed  factor  repeated  measures  model  with  audio  scheme  and  scenario  as  the 

independent variables,  respectively  (Table 5‐1).    Instead of  the  four audio  conditions, 

the  factor  levels  were  collapsed  into  two  levels:  those  participants  exposed  to  the 

continuous oscillating course‐deviation alert (participants  in the BothCont or DevCont 

audio  conditions)  and  those  exposed  to  the  threshold  course‐deviation  alert 

(participants  in  the  LateCont  and  BothThresh  audio  conditions).  The  audio  scheme 

54 

Page 56: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

remained  a  between‐subjects  factor, while  the  scenario  remained  a  repeated within‐

subjects factor. 

 

Table 5‐1: Post Hoc Experimental Conditions. 

Scenario (Repeated)

Single-UAV Multiple-UAV

Continuous Oscillating Course-deviation Alert (BothCont or DevCont)

Participants 1-20 Participants 1-20 Audio Scheme

(Between) Threshold

Course-deviation Alert (LateCont or BothThresh)

Participants 21-39 Participants 21-39

 

As  seen  in  Figure  5‐2,  the  analysis  confirms  that  the  participants  with  the 

continuous oscillating alert condition performed significantly better than those with the 

threshold course‐deviation alert condition (F(1,37) = 8.874, p=.01). 

 

7

8

9

10

11

12

13

Mea

n Co

urse

-dev

iatio

n Re

actio

n Ti

mes

(sec

onds

)

Continuous Oscillating Course-Deviation AlertThreshold Course-Deviation Alert

Single-UAV Multiple-UAV

 Figure 5‐2: Post Hoc Analysis Course‐deviation Reaction Times Treatment Means Plot. 

55 

Page 57: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

5.3. Late‐arrival Errors of Omission 

All  39 participants  responded  to  all  of  the  4  late‐arrivals presented  to  each  of 

them, thus there were no late‐arrival errors of omission. 

 

5.4. Late‐arrival Reaction Times 

The  original  late‐arrival  reaction  times were  not  normally  distributed,  thus  a 

natural  log  transformation was performed.   The omnibus results showed a significant 

difference  in  the  performance  of  participants  between  the  four  audio  conditions 

(F(3,35)=3.345,  p=.03)  and  a  significant  difference  due  to  the  scenario  (F(1,35)=20.737, 

p<.001).  Interaction was not significant.   

As seen in Figure 5‐3, there was an apparent split in the data.  A post‐hoc Tukey 

comparison  revealed  there  was  a  significant  or  marginally  significant  difference 

between the data for the DevCont audio condition and the other three audio conditions: 

BothThresh  audio  condition  (p=.05), LateCont  audio  condition  (p=.08),  and BothCont 

audio  condition  (p=.07).    These  post‐hoc  comparisons  confirmed  the  apparent 

differences within the treatment means plot in Figure 5‐3. 

 

5.5. Workload 

To measure workload, the performance on a secondary task was monitored, and 

scores for subjective workload were recorded. These are detailed in the following 

sections. 

5.5.1. Secondary Task Assessment 

For the number of missed radio calls, there was no significant difference between 

the audio conditions or across the scenarios.  According to this secondary workload   

56 

Page 58: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Single-UAV Multiple-UAV

Mea

n Tr

ansf

orm

ed (n

atur

al lo

g) L

ate-

arriv

al R

eact

ion

Tim

es (s

econ

ds)

BothCont LateCont DevCont BothThresh 

Figure 5‐3: Transformed (Natural Log) Late‐arrival Reaction Times Treatment Means Plot. 

measurement,  the  participants  were  equally  saturated,  regardless  of  their  assigned 

audio condition or whether they supervised a single or multiple UAVs.  This was not a 

surprise; as discussed before and illustrated in Appendix B, the scenarios were designed 

with an equal number of tasks.    

5.5.2. Subjective Assessment 

Similar to the secondary workload measurement, the subjective measurement of 

the  NASA  TLX  scores  was  not  significantly  different  across  audio  conditions  or 

scenarios.    The  non‐significant  results  across  the  scenario  also were  not  a  surprise, 

because as illustrated in Appendix B, the single‐UAV and multiple‐UAV scenarios were 

designed  to  have  the  same  number  and  placement  of  events.    In  the multiple‐UAV 

scenario, the number of events and same point in time of the events was just split over 

four UAVs instead of all being on one UAV’s flight path. 

 

57 

Page 59: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

5.6. Post‐Experiment Subjective Responses 

Subjective responses regarding the usefulness of the audio cues, whether discrete 

or continuous, were overwhelmingly positive. In reviewing the participants’ comments, 

some valuable insights were gained. 

The overarching feeling toward the discrete threshold alerts was that while they 

were  better  than  nothing,  the  discrete  threshold  alerts  could  have  been  improved.  

Many felt that these audio alerts were nice to have as they “made [the participant] pay 

attention” and were “a good back‐up for the visual cue.”  The majority commented the 

audio alerts worked well in conjunction with the visual display to better enhance their 

awareness.   One participant  reported  the audio alert “was  especially helpful because 

noticing course‐deviations visually was difficult.” 

A key concern  raised about  the  threshold audio alerts was  that  the alerts were 

“hard to distinguish from background noise.”   The feeling was that the beeps blended 

into the background too easily.  Threshold audio alerts were masked by things such as 

the general radio chatter or other alerts in the mission such as the beep that alerted the 

operator of new threats to avoid.   One reported he found the threshold audio alert to be 

“too  short  and  too  discrete  to  call my  attention.  I  usually  noticed  the  late‐arrivals 

visually.” Others offered possible solutions.  One said the audio alert “should be more 

annoying and should  last  longer.”   A common  feeling was  that  if  the audio alert was 

“longer  and more prominent,”  the  audio would be more  effective  as  a  supplemental 

tool  to  the  visual  alert.    In  fact,  over  half  of  the  participants  exposed  to  one  of  the 

discrete alerts asked  for alerts with “more  than  just a  simple beep” and wished  for a 

more repetitive audio alert  that would “last,” so operators would have  to address  the 

alert. 

Another concern raised in the threshold audio alert feedback was that the audio 

alerts were “difficult  to use  effectively with  four UAVs.”   Some  suggested, “It might 

58 

Page 60: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

have been more helpful if it referred to the selected UAV.”  The results of this research 

support this observation.  Participants needed audio support that would point them to 

the problem UAV, not just the fact that there was a problem with one of the UAVs. 

The continuous audio alerts were generally appreciated as situational enhancers 

and attention managers, but some felt the continuous audio was potentially fatiguing. 

Although  generally  positive,  participants  did  report  the  continuous modulated  late‐

arrival  alert  “focused  attention  to  late  UAVs.”    Like  the  discrete  threshold  alerts, 

continuous audio was “audio backup” to the visual display and “alerted [participants] 

to  the  impending  late‐arrivals more  quickly.”   With  continuous  audio,  participants 

learned to use the continuous nature to supplement their regular visual scan, with one 

recounting, “I mostly looked at the left screen” and “the audio was the cue to look at the 

right  screen.”   Though  one  reported  that  the  continuous modulated  late‐arrival  alert 

“helped with many UAVs”  and  another  that  it was  a  “good  alert  of  a  late‐arrival,” 

participants found it difficult to distinguish the priority of the target based on the audio 

alone. 

While the modulated late‐arrival alert was touted as an enhancement tool, it was 

noted by participants that the tones “provoked a stress response so that [the participant] 

felt more anxious.”   An Air Force Predator pilot noted  that  the modulated  late‐arrival 

alert, “while effective at alerting to issues, was extremely annoying,” and he “would not 

subject [himself] to that background noise for hours at a time day after day.” 

Similar  to  the modulated  late‐arrival  alert,  the  continuous  oscillating  course‐

deviation alert was lauded as “useful as a backup secondary cue.”  A negative comment 

about this continuous audio alert was that the audio alert could “contribute greatly to 

fatigue” over a long mission.  Ten percent of the participants exposed to the continuous 

oscillating  course‐deviation  suggested  that  this additional alert be  left off  throughout 

the bulk of the mission and only have the additional alert on during particular parts of 

the mission.   This way  the effectiveness of  the  tool  could be used when  the operator 

59 

Page 61: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

needed an additional cue.  At the same time, operators could be spared the annoyance 

of  continuous  audio  input  over  a  long  duration  mission,  when  they  were  not 

continually at a peak stress and work level. 

Interestingly,  all  of  the  negative  comments  regarding  the  oscillating  course‐

deviation  alert  came  from  the participants who were  exposed  to  both  the  oscillating 

course‐deviation  alert  and  the modulated  late‐arrival  alert  (BothCont),  instead  of  the 

oscillating course‐deviation alert and the threshold late‐arrival alert (DevCont).  Twenty 

percent of those exposed to both were annoyed by the oscillating alert.  Regardless, the 

majority  felt  the  continuous  audio  alerts  helped,  but  some  time may  be  needed  for 

operators  to get used  to  them.   As one operator stated, “Effective as  they were,  I  just 

couldn’t remember which was which.” 

 

5.7. Summary of Experimental Findings 

Key findings of the data analysis were found in the post‐hoc analyses discussed 

previously  in  this  section.   When  the  course‐deviation  reaction  times were  collapsed, 

those with  the  continuous  oscillating  alert  condition were  shown  to  have performed 

significantly  better  than  those  with  the  threshold  course‐deviation  alert  condition.  

Further,  though  the  count  of  error  of  omissions  for  the  course‐deviations  was  not 

significant,  it  should be noted  that  almost half of  all of  the missed  course‐deviations 

occurred under the LateCont (comprised of threshold course‐deviation and modulated 

late‐arrival alerts) condition.   

Another  key  finding  was  that  for  the  late‐arrival  reaction  times,  the  only 

condition that had a significant difference in performance from the other conditions was 

DevCont  (comprised  of  oscillating  course‐deviation  and  threshold  late‐arrival  alerts).  

The DevCont condition was shown  to have significantly poorer performance  than  the 

three other audio conditions: BothCont  (comprised of oscillating course‐deviation and 

60 

Page 62: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

modulated  late‐arrival alerts), LateCont  (comprised of  threshold course‐deviation and 

modulated  late‐arrival  alerts),  and  BothThresh  (comprised  of  threshold  course‐

deviation and threshold late‐arrival alerts).   

The  subjective  feedback  results  showed an overall preference  for audio aids  to 

supplement visual events, but there was annoyance reported for some of the continuous 

audio  presentations.    Many  felt  it  would  be  fatiguing  to  run  this  form  of  audio 

continually throughout the long missions that some UAV operators supervise.  Overall 

though, there was a request for more than a discrete, single beep alert. 

 

 

 

61 

Page 63: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

62 

Page 64: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

63 

6. Discussion 

This chapter discusses the findings of the results presented in Chapter 5, Results.  

The  discussion  that  follows  presents  these  findings  in  relation  to multiple  resource 

theory, mapping of audio alerts, change blindness, and masking.  It then closes with an 

explanation of the causes of the workload results.    

 

6.1. Multiple Resource Theory 

The  anesthesiology  studies  discussed  in  Chapter  2  showed  that  sonifications 

successfully supplemented the visual modality (Watson & Sanderson, 2004).  They did 

not  replace  the  visual  representation  on  the  screen,  but  they  enhanced  the  visual 

display.  Similarly, within this experiment, as operators were performing tasks or even 

monitoring  the  course‐deviation  visually,  operators  relied  on  the  aural  channel  to 

correct  course‐deviations  quickly,  which  was  reported  in  their  post‐test  subjective 

feedback.  This illustrates that participants were integrating the audio input to confirm 

and guide their visual scan to more readily identify problems.   

The multiple‐UAV scenario’s reaction times were expected to be longer than the 

single‐UAV scenario’s; however, there appeared to be almost no differences in course‐

deviation  reaction  times  between  the  single‐UAV  and multiple‐UAV  scenarios when 

the  discrete  threshold  course‐deviation  audio  alert  was  used.    In  comparison,  the 

scenarios  using  the  continuous  oscillating  course‐deviation  audio  alert  showed  the 

expected  trend  of  the  multiple‐UAV  scenario  reaction  times  being  longer  than  the 

single‐UAV  scenario.    This  difference,  between  the  discrete  and  continuous  audio 

conditions,  is  likely a  result of  the  fact  that  in  the discrete audio  condition, operators 

had already determined  the problem visually and  then waited  for aural confirmation 

before  addressing  the  problem.   Conversely,  in  the  continuous  audio  condition,  the 

Page 65: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

audio  first  and  more  readily  alerted  the  operator  that  there  was  a  problem.    The 

operator  then  addressed  the  problem  by  visually  determining  the  UAV  that  the 

problem  had  occurred  on,  causing  the  longer  reaction  time  for  the  multiple‐UAV 

scenarios.       

The continuous audio provided constant auditory  input  that participants relied 

upon to more quickly confirm their interpretation of the visual displays.  Those exposed 

to  the  discrete  audio  had  to  wait  until  the  threshold  at  which  the  audio  was 

programmed to alert operators was met, before receiving any auditory confirmation of 

what they may have already perceived visually.  The results of this experiment, for the 

course deviation reaction times,  illustrate that operators had the resources to  integrate 

the continuous audio with their visual perception, allowing them to out‐perform those 

with the discrete audio.  Thus, continuous audio better utilized the audio channel’s pool 

of resources. 

     

6.2. Mapping Audio Alerts to Intuitive Triggers 

While this experiment showed the continuous audio helped in monitoring course 

deviations, it also demonstrated a case where continuous audio did not aid an operator 

in a supervisory role.  For the late‐arrival reaction times, there was no significant benefit 

gained by having  a  continuous  audio  alert  rather  than  a discrete  audio  alert  for  late 

arrivals.    The  primary  reason  there  was  no  performance  enhancement  with  the 

continuous modulated late‐arrival alert was that the late‐arrivals were discrete events (a 

UAV was either late or not late).  In relation to discrete audio, the continuous audio did 

not  provide  any  extra,  useful  information  in  the  late  arrival  condition.    The  audio 

represented one of four discrete states, rather than a continuous parameter, so it could 

not convey progression towards a new state, and thus the benefit of continuous audio 

was not fully exploited.   

64 

Page 66: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

  Conversely,  the  positive  results  of  the  continuous  oscillating  course‐deviation 

alert were attributable to its intuitive mapping to the continually changing state of the 

UAV  course  deviation.    As  the  UAV  moved  off  course,  the  continuous  audio 

progressively  changed,  and  the participant was  then given useful  information  in  the 

sonification  that  allowed  him  to  choose  his  own  threshold  for  course  deviations,  as 

discussed above in the multiple resource theory discussion.     

 

6.3. Change Blindness 

In Chapter  2, Background,  the point was  raised  that  some  forms of  audio have 

been shown  to help mitigate visual change blindness  that may result  from  relying on 

only a visual presentation (Nehme & Cummings, 2006).  Because there was no baseline 

condition, with only visual displays and no audio alerts, there is no empirical evidence 

that the discrete or continuous audio displays helped mitigate visual change blindness.  

It  is noteworthy, however, that no  late‐arrivals and an  insignificant number of course‐

deviations were missed by all the participants. The indication is that the combination of 

the visual and audio displays did, in fact, alert the participants to problem situations.   

In  terms  of  error  rates  in  responding  to both  course‐deviation  and  late‐arrival 

events, only a very small percentage of course‐deviation alerts were missed, and all of 

the  late‐arrivals were  recognized by  the participants.   This slight difference was most 

likely caused by  the visual alert representation  in  that  the  late‐arrival visual alert was 

easily seen by the physical displacement and color change of the target icon (Figure 3‐3).  

In  contrast, whether a UAV was  truly off  course was more visually ambiguous, as  is 

seen in Figure 3‐5.   This was exacerbated by the simulation, which caused the UAV to 

automatically resume its correct course if a participant did not recognize and correct an 

off‐course  error within  thirty  seconds. This  illustrates  the  importance  of dual  coding 

65 

Page 67: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

alerts on the visual and aural channels, which  is one way to combat change blindness 

and was generally effective in this experiment. 

 

6.4. Masking 

 The subjective feedback of the participants suggested that they felt the discrete 

threshold alerts were masked by other clutter and noise  in  the radio chatter, which  is 

why  the discrete  threshold alerts may not have performed as well as  the  continuous 

ones.    In general,  the  results showed  that almost half of  the missed course‐deviations 

occurred  in  the  audio  condition, where  the  continuous modulated  late‐arrival  audio 

alert was present in a scenario with the discrete threshold course‐deviation audio alert.  

Further,  the  results  showed  that  late‐arrival  recognition  was  no  different  across 

conditions,  except  for  a  significant  decrease  in  performance  when  the  continuous 

oscillating  course‐deviation  alert was  present  along with  the  discrete  threshold  late‐

arrival audio alert.   Both of  these statistical  results are examples of how masking can 

result  in  degraded  performance.    Therefore,  a  continuous  audio  alert  should  be 

integrated with  the  other  alerts  so  that masking  of  less  prominent  discrete  or  even 

continuous alerts does not occur. 

 

6.5. Workload 

The  workload  measurements  (subjective  responses  and  secondary  task 

performance) showed no significant difference between  the single‐UAV and multiple‐

UAV  scenarios.    The  operators  reportedly  perceived  no  difference  in  the workload, 

which was not a surprise.   As discussed before and presented in Appendix B, the two 

scenarios  were  designed  with  the  same  number  and  types  of  events.    The  only 

difference was that for the multiple‐UAV scenario, the events were separated over four 

66 

Page 68: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

UAVs  instead of one UAV.   The  intent was to provide the same number of tasks, and 

thus the same amount of work, in each scenario.  Because there was an identical set of 

events for much of the experiment, participants likely recognized no difference in their 

efforts between the two scenarios.   This was supported by the similar performance on 

the secondary task for the single‐UAV and multiple‐UAV scenarios.   

Although  the  workload measurements  were  not  significant,  the  performance 

metrics  were  different  between  the  scenarios.    The  late‐arrival  reaction  times  were 

significantly  different,  and  the  course‐deviation  reaction  times  were  marginally 

different.   In both cases, there were shorter reaction times for the single‐UAV scenario 

than  the multiple‐UAV  scenario.    This  performance  difference  is  likely  the  result  of 

participants  having  to  divide  their  attention  while  monitoring  four  UAVs  for  the 

multiple‐UAV scenario.  The impact of divided attention for multiple UAV control will 

be discussed further in the findings section of Chapter 7, Conclusion.   

 

67 

Page 69: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

   

68 

Page 70: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

69 

7. Conclusion 

In  this  concluding  chapter,  the  primary  research  questions  are  answered, 

followed by a discussion of workarounds  to potential  integration  issues and areas  for 

future research. 

 

7.1. Findings 

  The primary questions addressed through this research are as follows: 

 

1.   When  compared with discrete audio, does  continuous audio better aid human 

supervision of UAV operations? 

2.    Is  the  effectiveness  of  the discrete  or  continuous  audio  support dependent  on 

operator workload? 

 

7.1.1. Value Added by Continuous Audio 

From  the  experiment  results  for  the  single  and  multiple‐UAV  scenarios,  it 

appears that the continuous oscillating course‐deviation audio alert helped participants 

respond more  quickly  to  the  task  of  recovering  from  UAV  course‐deviations.    The 

continuous modulated  late‐arrival audio alert,  in  contrast, did not help or hinder  the 

participants  in  responding  to  late‐arrivals,  primarily  due  to  a  confound  in  alert 

mapping. 

These  results  highlight  the  importance  of  context  in  alert  design.   When  the 

continuous oscillating course‐deviation audio alert was used with the discrete threshold 

late‐arrival  audio  alert,  reaction  times  to  addressing  late‐arrivals  were  significantly 

worse than all other cases, due to masking.  In contrast, when used with the continuous 

Page 71: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

modulated late‐arrival audio alert, the late‐arrival reaction times did not suffer, and the 

course‐deviation reaction times improved. 

Thus, continuous audio alerts helped in UAV control, but they must be added in 

light of all the other audio input occurring in the display.  Caution must be taken so that 

the  added benefit of  a  continuous  audio  alert  is not  lost because of  a  lack of proper 

system  integration.   Further, continuous audio must only be applied  in cases where  it 

maps  to  the occurrences of  the event  that  is being monitored.    If  it  is a discrete event, 

like late‐arrivals, there may not be a gain in using continuous audio in place of discrete 

audio.   

7.1.2. The Impact of Workload 

The results indicate a decrease in performance when supervising multiple UAVs 

instead  of  a  single  UAV,  regardless  of  the  audio  condition.    The  performance 

degradation  in  the multiple‐UAV condition  is not a surprise.   Task  load stress means 

that  even with  a  constant  signal  rate,  performance will  decline  if more  information 

inflow must be used  (Conrad, 1985).   This means  that even with  the same number of 

tasks, if the tasks are distributed over multiple vehicles, the performance will decrease.  

The  effects  of  load  stress  have  been  illustrated  in  air  traffic  control  (Cummings  & 

Tsonis,  2005)  and UAV  studies  (Cummings & Mitchell,  2008; Cummings, Nehme, & 

Crandall, 2007; Dixon et al., 2005).   Given  the results of previous research,  there  is no 

reason to assume the results of this study would have been any different.  However, the 

use  of  continuous  audio  displays  was  meant  to  alleviate  some  of  this  increased 

workload,  and  participants  recognized  this  in  the  subjective  responses,  noting  that 

though  the  audio  alerts were  “very  helpful” when  focusing  on  other  tasks,  it was 

“harder to comprehend with four UAVs than one.” 

On  the whole,  though, participants exposed  to continuous audio outperformed 

participants  exposed  to  discrete  audio  in  both  the  single‐UAV  and  multiple‐UAV 

70 

Page 72: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

scenarios.    Previous  research  controlling  two  UAVs  showed  that  an  audio  alert 

improves  performance  over  a  baseline  condition  of  no  audio  but  that  generally, 

performance degrades when the number of UAVs under control increases (Dixon et al., 

2005).  The results of this thesis mirror this previous research, except that it was shown 

that  continuous  audio, when  used  appropriately,  can  actually mitigate  the  negative 

impacts of increased workload due to increased numbers of UAVs under control. 

The  conclusion  to  these  research  questions  is  that  with  correct  application, 

continuous audio is more helpful than discrete audio in supporting the supervision of 

multiple  tasks over multiple vehicles.   While continuous audio may be a performance 

enhancer, it is also important to assess the research and development, acquisition, and 

maintenance  costs  associated  with  fielding  this  new  headphone  technology.  

Quantification of these various factors will determine whether such technology should 

ultimately be employed, which will be discussed next.   

 

7.2. Integration Issues  

A shortcoming  in  the use of headphones  for  the presentation of  the continuous 

audio  is  the  isolation of  the operator  from outside communication  (Tannen, 1998).    In 

operational integration with military personnel, operators will often only wear one half 

of the headset because wearing the headset on both ears isolates them from inter‐team 

interaction.    It  is  important  to make  sure  that  any  integration  of  a  headset does  not 

interfere with critical work environment constraints, especially those in a team setting.   

Furthermore,  though  continuous  audio  can  promote  objective  performance, 

some participants  in  the experiment noted an annoyance with  long  term exposure  to 

these forms of continuous audio.  One solution in integration is to limit exposure to the 

audio and only use  it when needed.   For example, rather  than play continuous audio 

throughout an entire four‐hour mission, the continuous audio tool could be active only 

71 

Page 73: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

during  the  portion  of  the  mission  when  workload  is  heavy,  or  when  one  of  the 

peripheral  tasks  reaches  a  cautionary  state  that  may  require  the  human  operator’s 

intervention.  Thus, this kind of adaptive display could either add or remove audio aids 

as required by the workload situation.   

 

7.3. Cost‐Benefit Analysis 

While  the  results  show  that  continuous  audio  displays  improved  operators’ 

performance, the question is to what extent?  In addition, in comparison to this benefit, 

what is the cost to the DOD to actually acquire these displays?   

To consider quantitative benefits of  the continuous audio displays,  the reaction 

times  to course‐deviations and  late‐arrivals are reviewed.   The results show  that with 

the  continuous  audio, participants were  on  average  2  seconds  or  6  seconds  faster  at 

responding to course‐deviations or late‐arrivals, respectively, than the participants with 

the  discrete  audio  display.    Thus,  these  experimental  results  show  a  performance 

enhancement of a 31 percent decrease  in  reaction  times  for monitoring  tasks with  the 

aid  of  continuous  audio  displays  instead  of  the  aid  of  discrete  audio  displays.    In 

aviation  this  time  interval  can  be  critical,  particularly  in  UAS  operations  where 

operators deal with  time  lags  in  the  control  of  remote  vehicles.   Linking  continuous 

audio to support operators in monitoring time critical events could be very beneficial.   

In  terms of  the actual hardware,  the HDiSP  is still a new  technology and  is  the 

only headset of  its kind.   The HDiSP used  in this experiment was a prototype version 

provided by Sensimetrics.   To date, Sensimetrics  is only providing HDiSP  for custom 

orders.  Two HDiSPs, along with the software, have been sold at a cost of 3,750 dollars 

per headset (T. E. von Wiegand, personal communication, April 2, 2008).  Sensimetrics 

estimates that if they were mass producing the HDiSP, the headset would sell between 

1,000 and 2,000 dollars per headset (T. E. von Wiegand, personal communication, April 

72 

Page 74: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

2, 2008).  In contrast, the best aviation headsets cost about 300 dollars (SkyGeek, 2008).  

Overall the price increase of purchasing the HDiSP instead of aviation headsets would 

be about 1,200 dollars  (400 percent),  if  the HDiSP was mass produced at 1,500 dollars 

per headset.   

Rough  performance  and  cost  increases  can  be  calculated,  but  these  numbers 

mean nothing unless placed in some context.  For instance, in the motivation section of 

Chapter  1,  Introduction,  the  statistic was  cited  that  over  the  next  8  years,  15.7  billion 

dollars will be spent on UAVs in the United States, yielding 11,000 UAVs in operation 

(Tsach  et  al.,  2007).    Equipping  each  UAV  with  an  HDiSP  for  single  operator 

supervision would result in a cost of 13 million dollars, which is less than 0.1 percent of 

all the money projected to be spent on UAVs in the United States in the next 8 years.   

While there is a cost to integrating a new continuous audio system, there are also 

research and development costs for continuous audio displays and HDiSP technology.  

Further,  there would  likely be additional maintenance costs for  the HDiSP, which  is a 

more complex hardware device that may not be as sturdy  in field conditions as older, 

more  robust  aviation  headphones.    Dependent  upon  implementation,  if  there were 

significant maintenance  issues,  there would be  social  costs  as well.   Operators might 

lose  trust or grow  frustrated with  the  constant maintenance  and  then  stop using  the 

device.   

The results of  the experiment  in  this  thesis  illustrate continuous audio displays 

provide a performance enhancement.  When compared with participants’ performance 

with  discrete  audio  displays,  the  continuous  audio  displays  are  shown  to  decrease 

reaction  times  by  31  percent.   An  initial  cost  benefit  analysis  shows  that  the  cost  of 

implementing  such  a  device  is minimal,  but  future  research  is  needed  to  do  a  full 

analysis  of  economic,  operational,  and  social  costs  of  implementing  these new  audio 

displays into UAS interfaces.     

 

73 

Page 75: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

7.4. Limitations and Future Work 

• A limitation of this research is that it assumes a certain level of autonomy in the 

unmanned  vehicles,  such  as  the  vehicles  flying  themselves  from waypoint  to 

waypoint, with the operator performing a distinct payload mission.  The research 

presented  here  focuses  on  the  human  operator  acting  in  a  higher  supervisory 

role.   

• The tasks represented by the continuous audio alerts were not primary tasks, but 

secondary  tasks  that  required occasional operator  input. The  results may have 

been  different  had  the  continuous  audio  alerts  been  linked  directly  to  the 

primary task. 

• Within  the MAUVE  simulator,  there  is a  rapid onset of  change  for  the  course‐

deviation and late‐arrival events.  Future research could be done on a simulator 

that allows for a more gradual onset of change to further explore how the rate of 

increase for the audio  intensity affects the speed and confidence of response by 

the participants.  In particular, how the onset of change for the continuous audio 

helps alert the participant to the problem is an area of future research.   

• While  continuous  audio  alerts  have  been  proven  beneficial  in  comparison  to 

discrete  audio  alerts,  further  research  could  be  completed  to  investigate  the 

different  patterns  of  sonifications  to  see  which  is  best  for  helping  operators 

supervise multiple tasks on multiple vehicles.   

• Another future study could compare the benefits of continuous audio alerts with 

spatial  audio  and  test  the  integration of  continuous  audio  into  a  spatial  audio 

presentation.   The point of  this  future  study would be  to  test  the value added 

when continuous audio is used with or in addition to spatial audio.   

• These results suggest that perhaps a better implementation of continuous audio 

alerts is to use them only during high workload situations, so as to minimize any 

74 

Page 76: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

annoyance  factor, while maximizing  the  objective  benefits  of  the  tool.    Future 

research could  test ways  to build  the sonifications  into adaptive audio displays 

that  change  the  amount  and  type  of  audio  output  based  on  the  workload 

presented by the system to the operator.  

• Another  extension  of  this  research would  be  investigating  how  haptic  cueing, 

either  as  a  replacement  or  an  addition  to  the  continuous  audio  alerts, would 

affect performance. 

75 

Page 77: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

76 

Page 78: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Appendix A: Audio Alert Guidelines 

According  to  Deatherage  (1972)  and  Sanders  and  McCormick  (1993),  the 

following guidelines should be considered in designing to meet the physical parameters 

of the human ear and hearing: 

• Use sounds in the 200 to 5000Hz range, in particular the 500 to 3000Hz because 

this middle range is the most sensitive region for human hearing. 

• To avoid masking in noise, use signal frequencies different from the noises’ most 

intense frequencies. 

• To capture attention, use modulated sounds of intermittent beeps repeating one 

to eight beeps per second or warbling sounds that vary between 1 to 3 times per 

second, because  these  sounds  rarely occur naturally  and will  capture operator 

attention. 

• If  representing  different  conditions,  different  warning  signals  should  be 

discriminable from each other, and moderate‐intensity signals should be used. 

77 

Page 79: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

78 

Page 80: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Appendix B: Scenario Events 

Appendix  B  shows  that  the  single‐UAV  and  multiple‐UAV  scenarios  were 

designed with the same number of events.   The only difference was that the multiple‐

UAV scenario has  the events divided over  four UAVs, while  the single‐UAV scenario 

has  them  all  occurring with  one UAV.   The  timeline  of  events  for  the  two  scenarios 

(Figure B‐1) illustrates this.    

 

 Figure B‐1: Major Events of Single‐UAV and Multiple‐UAV Test Scenarios. 

79 

Page 81: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Table B‐1 shows side‐by‐side images of the timeline display and map display for 

the single‐UAV and multiple‐UAV scenarios.  Again, as with the timeline in Figure B‐1, 

these displays show that in both scenarios the operator has the same number of tasks to 

complete,  and  the  only difference  between  the  two  scenarios  is  that  for  the multiple 

scenario, the tasks are divided over four UAVs instead of just one UAV.   

 

Table B‐1: Comparison of Single‐UAV and Multiple‐UAV Scenarios. 

             Single‐UAV Scenario        Multiple‐UAV Scenario 

 

                

 

 

                 

Tim

elin

e D

ispl

ay

Map

Dis

play

80 

Page 82: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

81 

Appendix C: Participant Consent Form 

CONSENT TO PARTICIPATE IN NON-BIOMEDICAL RESEARCH

Developing Decision Support for Supervisory Control of Multiple Unmanned Vehicles

You are asked to participate in a research study conducted by Professor Mary Cummings Ph.D, from the Aeronautics and Astronautics Department at the Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.). You were selected as a possible participant in this study because the expected population this research will influence is expected to contain men and women between the ages of 18 and 50 with an interest in using computers. You should read the information below, and ask questions about anything you do not understand, before deciding whether or not to participate. • PARTICIPATION AND WITHDRAWAL Your participation in this study is completely voluntary and you are free to choose whether to be in it or not. If you choose to be in this study, you may subsequently withdraw from it at any time without penalty or consequences of any kind. The investigator may withdraw you from this research if circumstances arise which warrant doing so. • PURPOSE OF THE STUDY The study is designed to evaluate how decision support tools or recommendations, both audio and visual, assist an operator supervising multiple simultaneous dynamic tasks, and how decision support assistance and effectiveness changes as workload increases. In measuring the effectiveness of decision support, an operator’s performance and situation awareness are used as metrics. Situation awareness is generally defined as the perception of the elements in the environment, the comprehension of the current situation, and the projection of future status of the related system. • PROCEDURES If you volunteer to participate in this study, we would ask you to do the following things:

• Attend a training and practice session to learn a video game-like software program that will have you supervising and interacting with multiple unmanned aerial vehicles (estimated time 0.75 hours).

• Practice on the program will be performed until an adequate level of performance is achieved, which will be determined by your demonstrating basic proficiency in monitoring the vehicles, redirecting them as necessary, executing commands such as firing and arming of payload at appropriate times, using decision support visualizations and/or recommendations to mitigate timeline problems, and responding to radio calls by clicking an acknowledge button on the software interface (estimated time 0.75 hours).

Page 83: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

• Execute two thirty minute trials consisting of the same tasks as above (1 hour) • Attend a debriefing to determine your subjective responses and opinion of the software

(10 minutes). • Testing will take place in MIT building 37, room 301. • Total time: 2-3 hours, depending on skill level.

• POTENTIAL RISKS AND DISCOMFORTS There are no anticipated physical or psychological risks in this study. • POTENTIAL BENEFITS While there is no immediate foreseeable benefit to you as a participant in this study, your efforts will provide critical insight into the human cognitive capabilities and limitations for people who are expected to supervise multiple complex tasks at once, and how decision support tools can support their task management. • PAYMENT FOR PARTICIPATION You will be paid $10/hr to participate in this study which will be paid upon completion of your debrief. Should you elect to withdraw in the middle of the study, you will be compensated for the hours you spent in the study. • CONFIDENTIALITY Any information that is obtained in connection with this study and that can be identified with you will remain confidential and will be disclosed only with your permission or as required by law. You will be assigned a subject number which will be used on all related documents to include databases, summaries of results, etc. Only one master list of subject names and numbers will exist that will remain only in the custody of Professor Cummings. • IDENTIFICATION OF INVESTIGATORS If you have any questions or concerns about the research, please feel free to contact the Principal Investigator, Mary L. Cummings, at (617) 252-1512, e-mail, [email protected], and her address is 77 Massachusetts Avenue, Room 33-305, Cambridge, MA 02139. The student investigators are Hudson D. Graham (719-238-1713, email: [email protected]), and Amy Brzezinski (617-276-6708, [email protected]). • EMERGENCY CARE AND COMPENSATION FOR INJURY “In the unlikely event of physical injury resulting from participation in this research you may receive medical treatment from the M.I.T. Medical Department, including emergency treatment and follow-up care as needed. Your insurance carrier may be billed for the cost of such treatment. M.I.T. does not provide any other form of compensation for injury. Moreover, in either providing or making such medical care available it does not imply the injury is the fault of

82 

Page 84: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

the investigator. Further information may be obtained by calling the MIT Insurance and Legal Affairs Office at 1-617-253-2822.” • RIGHTS OF RESEARCH SUBJECTS You are not waiving any legal claims, rights or remedies because of your participation in this research study. If you feel you have been treated unfairly, or you have questions regarding your rights as a research subject, you may contact the Chairman of the Committee on the Use of Humans as Experimental Subjects, M.I.T., Room E25-143b, 77 Massachusetts Ave, Cambridge, MA 02139, phone 1-617-253-6787. SIGNATURE OF RESEARCH SUBJECT OR LEGAL REPRESENTATIVE I understand the procedures described above. My questions have been answered to my satisfaction, and I agree to participate in this study. I have been given a copy of this form. ________________________________________ Name of Subject ________________________________________ ______________ Signature of Subject Date

SIGNATURE OF INVESTIGATOR In my judgment the subject is voluntarily and knowingly giving informed consent and possesses the legal capacity to give informed consent to participate in this research study. ________________________________________ ______________ Signature of Investigator Date

83 

Page 85: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

84 

Page 86: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

85 

Appendix D: Demographics Survey 

MAUVE‐MITUS Demographic Survey 

 

1. Age: ____________________

2. Gender: □ Male □ Female

3. Occupation: ___________________

If student:

a. Class Standing: □ Undergraduate □ Graduate b. Major: ____________________

If currently or formerly part of any country’s armed forces:

a. Country/State: ____________________ b. Status: □ Active Duty □ Reserve □ Retired c. Service: □ Army □ Navy □ Air Force □ Other ____________________ d. Rank: ____________________ e. Years of Service: ____________________ f. Did you ever serve in high noise environments? □ Yes □ No

If yes, please explain what the duties were, how long the shifts were, and how many times you

served these shifts?

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

4. Do you have experience with remotely piloted vehicles (land, sea, air)? □ Yes

□ No

If yes:

a. Vehicle type(s)/class(es): ____________________________________________________________________________

b. Number of hours: ____________________

5. Do you have experience with radios such as those used for communication in flying? □ Yes

□ No

If yes:

Page 87: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Please explain:

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

6. Have you been to a music concert in the last Month?

□ Yes

□ No

If yes:

a. Concert type:_______________________________________________________________________ b. When: ____________________

7. Do you have any hearing loss?

□ Yes

□ No

If yes:

Please explain:

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

8. How often do you play video games?

□ Never

□ Less than 1 hour per week

□ Between 1 and 4 hours per week

□ Between 1 and 2 hours per day

□ More than 2 hours per day

9. Are you color blind?

□ Yes

□ No

If yes:

Which type of color blindness (if known): ___________________________________________

86 

Page 88: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

Appendix E: MAUVE‐MITUS Tutorial  

 

 

Amy Brzezinski Amy Brzezinski –– MIT Humans and Automation LabMIT Humans and Automation Lab

Multi-Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE)

TUTORIAL

Spring 2007Spring 2007

Hudson GrahamHudson Graham

    

IntroductionIntroduction

Welcome!

This tutorial is designed to give you some background on the Multi-Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) interface before you arrive on testing day. Please take the time to look over the following slides and come prepared with questions. Before testing you will be thoroughly trained on the actual interface, but being exposed to it beforehand will be invaluable in speeding up this process.

Thank you in advance for your participation!

 Experiment Overview Experiment Overview

In this experiment, you are an unmanned aerial vehicle (UAV) operator that is responsible for supervising 1 to 4 UAVs collectively tasked with destroying a set of time-sensitive targets in a suppression of enemy air defenses mission. The area contains enemy threats capable of firing on your UAVs.

The UAVs are highly autonomous, and therefore only require high level mission execution from you. The UAVs launch with a pre-determined mission plan, so initial target assignments and routes have already been completed for you. Your job will be to monitor their progress, re-plan aspects of the mission in reaction to unexpected events, and in some cases manually execute mission critical actions such as arming and firing of payloads.

The interface we have developed for this experiment is called the Multi-Aerial Unmanned Vehicle Experiment (MAUVE) and will be referred to by this name from here out.

    

ObjectivesObjectives

Your primary objective in this mission is:

To make sure the UAV(s) maximize the number of targets engaged as well as arriving back to the base safely.

Supervision of the UAVs can be broken down into the following prioritized sub-tasks, from highest priority to lowest:

1. Return to base (RTB) within the time limit for the mission (this limit will be clearly marked).

2. Comply with recovery rules for course deviations.

3. Comply with recovery rules for target late arrivals.

4. Destroy all targets before their time on target (TOT) window ends.

5. Avoid taking damage from enemies by avoiding all threat areas.

6. Acknowledge all “Push” radio calls.

These sets of objectives will often conflict with one another. In these cases, you must perform the actions that have the highest priority first.

Your performance will be judged based on how well you follow the above priorities.

 

Audio AlertsAudio Alerts

To help you meet your objectives you will receive auditory signals for both course deviations and late arrivals. Both are induced by unanticipated high winds along the planned flight path.

Course deviations are when a UAV is blown off of the planned path. It is significantly deviated when you visually see that the UAV has left the course line. Deviations may occur over targets as well.

Late arrivals are when the UAV has hit stronger than anticipated head winds and slows down. As a result it will now be late to the next target.

Your test proctor will provide further training as to what these auditory signals sound like during the test day training.

Other auditory sounds to be familiar with are: (Note all three are the same because all are related to a new message in your message box.)

For new messages in your message boxes

For pop-up threats For when your UAV is being fired upon

while flying through a threat area.     

Color CodingColor Coding

Throughout the displays you’re about to see, the following color coding is used to indicate each of the 5 possible actions a UAV can perform in MAUVE:

GreenReturn to Base

OrangeFiring Payload

YellowArming Payload

BlueLoitering

GrayEnroute

ColorUAV Action

 

 

87 

Page 89: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

Displays Displays –– Overview Overview

During the experiment, you will see two side-by-side displays that contain the following major elements:

• Left Display− Mission Time− Map Display− Mission Execution

• Right Display− Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Status− Decision Support− Chat Box− UAV Health & Status Updates

The following slides will show these displays in detail and explain how to use them properly.

    

Left Display Left Display –– Overview Overview

The three major screen elements on

the left display are:

1Mission

Execution

2Mission

Time

3Map

Display

33

22

11

 

Right Display Right Display –– OverviewOverview

The four major screen elements

on the right display are:

1UAV Status

2Decision Support

3UAV Health &

Status Updates

4Chat Box

11 22

3344

    

Left Display Left Display –– Detail Detail

The following slides detail all of the elements contained on the left display, in this order:

• Map Display

• Mission Execution

• Mission Time

 

    

Map Display Map Display –– Detail Detail –– 22

Naming Conventions• UAVs

− Numbered 1-4• Targets

− T-XXP where XX = target number and P = priority− Priority may be High (H), Medium (M), or Low (L)− Examples:

T-1H – Target 1 a high priority targetT-12M – Target 12 a medium priority targetT-23L – Target 23 a low priority target

• Waypoints (WP)− WP-XY where X = UAV# the waypoint is associated with and Y = waypoint

letter− Examples: WP-1A, WP-2C

• Threats/Hazards− H-XXX where XXX = threat number− Example: H-001, H-012

 

  

88 

Page 90: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

Mission Time Mission Time –– Detail Detail

The mission time display element shows the following:

1. Absolute Time

− These clocks are on the left side of the “Mission Time” title

− Two formats

Current Time: Current mission time

End Time: End time of the current mission

2. Relative Time

− These clocks are on the right side of the “Mission Time” title

− Two formats

Elapsed Time: How long has elapsed since the start of the scenario

Remaining Time: How long remains until the mission is over

Example Mission Time Display Element

    

Mission Execution Mission Execution –– Detail Detail –– 1 1

Each UAV has its own mission execution bar.

To bring it up on the left display, click anywhere on the desired UAV’s status window on the right display OR on the UAV icon itself on the left display.

Light green highlighting around the UAV’s status bar and its current mission plan on the map display tell you which UAV/route is currently selected

In the display below UAV 4 is highlighted so this is the mission execution bar on the left side of the left display.

 

Mission Execution Mission Execution –– Detail Detail –– 22

Mission Execution Functions

1. Arm Payload

− This button is only enabled if the UAV is selected while directly on top of a target, and within the arming or firing windows

2. Fire Payload

− This button is only enabled if the UAV is selected while directly on top of a target, armed, and within the firing window for that particular target

3. Skip Target

− This button is used if you decide to skip a target because you are going to be late to it. It causes the UAV to skip the next target/waypoint and move to the next waypoint/target

11 22

33

    

Mission Execution Mission Execution –– Detail Detail –– 3 3

Mission Execution Functions4. Reset Navigation

− Click anytime you have a significant course deviation and want to return to the planned course; it will return the UAV to the next plotted waypoint/target.

− Causes the UAV to be inactive while resetting; you may not be able to arm or fire with that UAV when its navigation system is resetting.

5. Radio Monitoring

− Radio chat from the Boston ground control will be playing and you must click the “Acknowledge PUSH” each time “push” is called on the radio chat. Hint: Push calls usually come in pairs (but not always); the tower and an aircrew or vice versa.

6. Target Assignment Queue

− You will not be using this portion of the display.

44

55

66

    

Right Display Right Display –– Detail Detail

The following slides detail all of the elements contained on the right display, in this order:

• UAV Status

• Health & Status Updates

• Decision Support

• Chat Box

    

A Reminder of How it All Fits Together A Reminder of How it All Fits Together –– Right DisplayRight Display

The four major screen elements

on the right display are:

1UAV Status

2Decision Support

3UAV Health &

Status Updates

4Chat Box

11 22

3344

 

 

89 

Page 91: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

 

UAV Status UAV Status –– Detail Detail –– 11

The UAV status display shows the following real-time information for each UAV:• Status / Current Action

−This is written out as well as represented by the color of the UAV icon to the right

−For example: a blue UAV would be loitering. This means it has arrived over the target but is there before the arming and firing window so is in a holding pattern waiting for these windows.

• Current Target Name• Position in Latitude & Longitude

−You will not need this in the scenario. −Given in degrees, minutes, and seconds

• Altitude−This is a static number that is not used

in the scenario in any way

(continued on next slide)

Example UAV Status Display ElementExample UAV Status Display Element

    

UAV Status UAV Status –– Detail Detail –– 22

The UAV status display shows the following real-time information for each UAV:

• Course

−You will not need this during the scenario.

−0˚ indicates due north; increases in a clockwise manner

• Speed

−The UAVs are set to travel at a constant speed of 200 kts.

−If there is significant head wind the UAV may slow down. This can precipitate late target arrivals

• Payload Ready

−This reflects whether the UAV has a payload ready for the current target

−Will say “Yes” if the UAV is armed, “No” if not

Example UAV Status Display ElementExample UAV Status Display Element

    

UAV Health & Status Updates UAV Health & Status Updates –– Detail Detail

The Health & Status Updates box contains messages from specific UAVs intended to inform the operator. Messages are color coded as follows:

• Red = UAV Health messages

− UAV is under fire from a threat

− Again, a standard audio alert will play when you receive red messages.

• Bold Black = UAV Status messages, action required

− UAV is available to arm or fire

• Black = UAV Status messages, no action required

− UAV has completed arming or firing

Example Health & Status Updates Window

    

Decision Support Decision Support –– Remember the Color CodingRemember the Color Coding

Color coding is an important element of the decision support, so take a look at it again!

GreenReturn to Base

OrangeFiring Payload

YellowArming Payload

BlueLoitering

GrayEnroute

ColorUAV Action

    

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 1 1

The active level of decision support contains a visual representation of what and when targets are approaching through a relative timeline and projective decision support display for each UAV.

• The arming and firing windows cannot by changed solely at the will of the the operator. i.e. Operators may request time on target (TOT) delay requests, but must get approval before the arming and firing window will be moved back (if approved).

Example Active Decision Support Window

    

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 2 2

Arming and firing elements are color coded in the same way as corresponding UAV actions. For each target the following information is represented:

1. Arming Window = Yellow

− 10 seconds long and takes approximately 3-7 seconds to arm.

− Payload for the relevant target may be armed, but not fired during this time

− Always occurs immediately before the firing window

2. TOT/Firing Window = Orange

− 20 seconds long and takes approximately 3-7 seconds to fire.

− Payload must be fired at the relevant target during this time

− In addition to the arming window, a payload may also be armed during this time

− Target name is printed vertically in the center of the window, priority is printed above the window.

 

 

90 

Page 92: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

 

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 33

Mission planning information reflects when UAVs will reach imporMission planning information reflects when UAVs will reach important points tant points in the scenario, such as:in the scenario, such as:

1. Waypoints/Loiterpoints/Base = Black Triangles

− Names are printed above the relevant UAV’s timeline

2. UAV Arrival at Targets = Black Rectangles

− Names are printed below the relevant UAV’s timeline

− Note that each target name will appear twice on the timeline, once for when the UAV will arrive at that target and once at thecenter of that target’s firing window

3. Late UAV Arrival = Red Rectangles

− Black Rectangle turns red and moves past the target to when the UAV will arrive.

    

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 44

The active level of decision support aids the user by identifying possible late target arrivals and areas of potential high workload on the timeline.

• A late target arrival is defined as when a UAV will arrive to a target after its scheduled time on target

• Corrective actions for late arrivals are based on the priority of the target you are projected to be late to. For:

− Low priority targets, skip them by clicking “Skip Target” on the navigation screen.

− Medium priority targets, either skip them or use the decision support visualization (DSV) to possibly request a delay. Remember your priorities of wanting to hit all the targets. See the next four slides for an explanation of how to use the DSV (shown below).

− High priority targets, use the DSV and then decide whether to request a TOT delay or to skip the target by clicking “Skip Target”

Note: The corrective actions above should only be taken when a late arrival is projected by the red rectangle on the screen and your audio.

H

    Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 55

The decision support visualization (DSV) helps the user manage the schedule by showing timeline issues and projecting “what if”conditions of the effects on the timeline based upon user decisions.

• Each UAV’s DSV is uses emergent features to show problems that currently exist or that may exist if a TOT delay is given.

• No issues (late target arrivals) are indicated by no rectangles being displayed.

− The picture below shows the DSV for when there is no late arrivals. It depicts this by having no rectangles above the line on the left side of the display in the “Late Arrival”section.

Note: The DSV will be inactive except for when you are going to be late to a medium or high priority target.

    

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 66

• Late arrivals are represented by a rectangle occurring on the DSV above the line on the left side of the display in the “Late Arrivals” section. It will also be highlighted yellow as it is below.

− The target’s priority is indicated within the rectangle and by the rectangle’s size. The higher the priority of the target that the UAV will be late for the taller the rectangle will be.

 

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 77

• Below the center line is for the “what if” condition; after the user selects a target that they might request a TOT delay for itwill show the projected future late arrivals for that UAV below the centerline on the left side of the display in the “Projection”section.

− The example below shows that if a TOT delay request is granted for target T-16H, the UAV will then be late to a Low Priority target.

− The Probability in the bottom right of this display shows the likelihood of a TOT delay being granted. The further in advance a delay is requested the higher the likelihood of it being granted. Do not request a delay again if your first request for a delay on that target is denied.

H

    

Decision Support Decision Support –– Detail Detail –– 88

Each UAV possesses a DSV display to help the user understand the potential effects of decisions

• A list of all the mission targets on the timeline appears to the right of each UAV’s DSV display.

• In using the display to the right for the top UAV:

− The user is considering requesting a delay for T-7H, a high priority target. However, it shows they will now be late to another high priority target even with this delay. This is where you, as the user, will have to make a value call. Do you request a delay or skip the target by clicking “Skip Target?”Most of the time you will not want to request a delay if you know it is going to create another delay.

• In using the display to the right for the second UAV:

− The user is considering requesting a delay for T-16H, a high priority target. This will result in the UAV being late to a low priority target. So in this case you, as the user, would want to request this delay because it means you can hit the high priority target for the trade-off of now missing a low priority target.

H

H

  

91 

Page 93: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

 

 

 

Chat Box Chat Box –– Detail Detail

The chat box contains a time history of all human interactions. These interactions are color coded as follows:

• Red = Intelligence updates

− Again, a standard audio alert will play when you receive red messages.

• Black = Message to/from Base, no response required

− Messages that inform you, but do not require a specific response

The chat box is purely informational. It will provide you with updates, but you will not input anything in the chat box.

Example Message History Window

    

ConclusionConclusion

You are now ready to proceed to hands-on training with the MAUVE interface. Remember to bring any questions you have to the

experimenter on testing day!

Predator B

Global Hawk

 

 

92 

Page 94: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

93 

Appendix F: Post‐Experiment Survey 

MAUVE Post-Test Feedback

1. How did the audio cues help or hinder you in managing late-arrivals?

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

2. How did the audio cues help or hinder you in managing course-deviations?

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

3. How would you change the audio cues for the late-arrivals to have them better aid you during your mission?

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

Page 95: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

4. How would you change the audio cues for the course-deviations to have them better aid you during your mission?

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

5. In general how would you change all the audio to help you with the control during your mission?

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

6. Please express any other comments you may like to share:

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________

94 

Page 96: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Appendix G: GLM Analysis: SPSS OUTPUT 

 

Included in this appendix are the key SPSS outputs for the data analysis.   

 

G.1.  Course‐deviation Reaction Times (for 4 audio conditions) 

Met normality and homogeneity assumptions.

 

 

Table G‐1:  Course‐deviation Reaction Times (4 audio conditions) Within‐Subjects Contrasts. 

Source Scenario

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Scenario Linear 14.029 1 14.029 3.215 .082

scenario *

Audio_Scheme Linear 10.780 3 3.593 .824 .490

Error(scenario) Linear 152.711 35 4.363

Table G‐2: Course‐deviation Reaction Times (4 audio conditions) Between‐Subjects Effects. 

Source

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Intercept 8998.235 1 8998.235 1089.907 .000

Audio_Scheme 71.289 3 23.763 2.878 .050

Error 288.959 35 8.256

 

 

 

 

 

 

 

95 

Page 97: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Table G‐3: Course‐deviation Reaction Times (4 audio conditions) Tukey Test Comparisons. 

(I)

Audio_Scheme (J) Audio_Scheme

Mean

Differen

ce (I-J)

Std.

Error Sig. 95% Confidence Interval

Lower Bound Upper Bound

BothCont LateCont -1.6292 .90862 .294 -4.0796 .8213

DevCont .3667 .90862 .977 -2.0838 2.8171

BothThresh -1.7949 .93352 .237 -4.3125 .7227

LateCont BothCont 1.6292 .90862 .294 -.8213 4.0796

DevCont 1.9958 .90862 .144 -.4546 4.4463

BothThresh -.1657 .93352 .998 -2.6834 2.3519

DevCont BothCont -.3667 .90862 .977 -2.8171 2.0838

LateCont -1.9958 .90862 .144 -4.4463 .4546

BothThresh -2.1616 .93352 .114 -4.6792 .3560

BothThresh BothCont 1.7949 .93352 .237 -.7227 4.3125

LateCont .1657 .93352 .998 -2.3519 2.6834

DevCont 2.1616 .93352 .114 -.3560 4.6792

G.2.  Course‐deviation Reaction Times (for 2 audio alerts) 

Met normality and homogeneity assumptions.

Table G‐4: Course‐deviation Reaction Times (2 audio alerts) Within‐Subjects Contrast.

Source Scenario

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Scenario Linear 14.534 1 14.534 3.311 .077

Scenario *

Audio_Scheme Linear 1.089 1 1.089 .248 .621

Error(scenario) Linear 162.403 37 4.389

96 

Page 98: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Table G‐5: Course‐deviation Reaction Times (2 audio alerts) Between‐Subjects Effects.

Source

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Intercept 9007.397 1 9007.397 1146.991 .000

Audio_Scheme 69.684 1 69.684 8.874 .005

Error 290.564 37 7.853

 

 

 

G.3.  Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times 

Met normality and homogeneity assumptions after original data was transformed with 

a natural log transformation.

Table G‐6: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times Within‐Subjects Contrasts.

Source Scenario

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Scenario Linear 6.513 1 6.513 20.737 .000

scenario *

Audio_Scheme Linear 1.619 3 .540 1.719 .181

Error(scenario) Linear 10.992 35 .314

Table G‐7: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times Between‐Subjects Effects.

Source

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Intercept 244.837 1 244.837 305.851 .000

Audio_Scheme 8.028 3 2.676 3.343 .030

Error 28.018 35 .801

97 

Page 99: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Table G‐8: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times Tukey Test Comparisons.

(I) Audio_Scheme (J) Audio_Scheme

Mean

Difference

(I-J)

Std.

Error Sig. 95% Confidence Interval

Lower Bound Upper Bound

BothCont LateCont .0092 .28293 1.000 -.7539 .7722

DevCont -.7099 .28293 .076 -1.4729 .0532

BothThresh .0633 .29069 .996 -.7206 .8473

LateCont BothCont -.0092 .28293 1.000 -.7722 .7539

DevCont -.7191 .28293 .071 -1.4821 .0440

BothThresh .0542 .29069 .998 -.7298 .8381

DevCont BothCont .7099 .28293 .076 -.0532 1.4729

LateCont .7191 .28293 .071 -.0440 1.4821

BothThresh .7732 .29069 .054 -.0107 1.5572

BothThresh BothCont -.0633 .29069 .996 -.8473 .7206

LateCont -.0542 .29069 .998 -.8381 .7298

DevCont -.7732 .29069 .054 -1.5572 .0107

 

 

G.4.  Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times (with 

BothCont/LateCont/BothThresh Combined against DevCont) 

Met normality and homogeneity assumptions after original data was transformed with 

a natural log transformation.

Table G‐9: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times (with 

BothCont/LateCont/BothThresh Combined against DevCont) Within‐Subjects Contrasts.

Source Scenario

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Scenario Linear 7.476 1 7.476 23.730 .000

scenario *

Audio_Scheme Linear .954 1 .954 3.029 .090

Error(scenario) Linear 11.657 37 .315

98 

Page 100: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Table G‐10: Transformed (natural log) Late‐arrival Reaction Times (with 

BothCont/LateCont/BothThresh Combined against DevCont) Between‐Subjects Effects.

Source

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Intercept 228.000 1 228.000 300.624 .000

Audio_Scheme 7.984 1 7.984 10.528 .002

Error 28.062 37 .758

G.5.  NASA TLX Scores 

Met normality and homogeneity assumptions.

Table G‐11: NASA TLX Scores Within‐Subjects Contrasts.

Source Scenario

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Scenario Linear 3.364 1 3.364 .058 .811

Scenario *

Audio_Scheme Linear 215.197 3 71.732 1.234 .312

Error(scenario) Linear 2035.166 35 58.148

Table G‐12: NASA TLX Between‐Subjects Effects.

Source

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Intercept 96127.322 1 96127.322 188.194 .000

Audio_Scheme 1244.548 3 414.849 .812 .496

Error 17877.551 35 510.787

 

99 

Page 101: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

G.6.  Missed Radio Calls 

Met normality and homogeneity assumptions.

Table G‐13: Missed Radio Calls Within‐Subjects Contrasts.

Source Scenario

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Scenario Linear 34.307 1 34.307 1.411 .243

scenario *

Audio_Scheme Linear 65.774 3 21.925 .902 .450

Error(scenario) Linear 850.944 35 24.313

Table G‐14: Missed Radio Calls Between‐Subjects Effects.

Source

Type III Sum

of Squares Df Mean Square F Sig.

Intercept 7966.465 1 7966.465 92.043 .000

Audio_Scheme 210.033 3 70.011 .809 .498

Error 3029.300 35 86.551

100 

Page 102: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

101 

References 

Arana‐Barradas, L. A. (2007). Predators ready to aid Missouri flood victims [Electronic Version]. Air Force Link, from  http://www.af.mil/news/story.asp?storyID=123053041 

Banks,  R.  L.  (2000).  The  Integration  of  Unmanned  Aerial  Vehicles  into  the  Function  of Counterair. Air University, Maxwell Air Force Base, Alabama. 

Barbato, G.,  Feitshans, G., Williams,  R., & Hughes,  T.  (2003). Unmanned  Combat  Air Vehicle Control & Displays for Suppression of Enemy Air Defenses. Paper presented at the 12th International Symposium on Aviation Psychology, Dayton, Ohio. 

Barrass, S., & Kramer, G. (1999). Using sonification. Multimedia Systems, 7, 23‐31. Begault, D. R., &  Pittman, M.  T.  (1996).  Three‐dimensional  audio  versus  head‐down 

traffic  alert  and  collision  avoidance  system  displays.  International  Journal  of Aviation Psychology, 6(1), 79‐93. 

Bolia, R. S., DʹAngelo, W. R., & McKinley, R. L.  (1999). Aurally aided visual search  in three‐dimensional space. Human Factors, 41(4), 664‐669. 

Brewster, S. A., Wright, P. C., & Edwards, A. D. N. (1994). A Detailed Investigation into the  Effectiveness  of  Earcons.  In  Auditory  Display.  Reading,  Massachusetts: Addison‐Wesley Publishing Company. 

Bronkhorst,  A. W.,  Veltman,  J.  A.,  &  vanBreda,  L.  (1996).  Application  of  a  three‐dimensional auditory display in a flight task. Human Factors, 38(1), 23‐33. 

Burke, J. L., Prewett, M. S., Gray, A. A., Yang, L., Stilson, F. R. B., Coovert, M. D., et al. (2006). Comparing  the Effects of Visual‐Auditory and Visual‐Tactile Feedback on User Performance: A Meta‐analysis. Paper presented at the 8th International Conference on Multimodal Interfaces, Banff, Alberta, Canada. 

Conrad, R. (1985). Information processing rates in the elderly. Psychological Bulletin, 98, 67‐83. 

Cooper,  J. C., & Owen,  J. H.  (1976). Audiologic profile of noise‐induced hearing  loss. Archives of Otolaryngology, 102(3), 148‐150. 

Crease,  M.,  &  Brewster,  S.  A.  (1998).  Making  Progress  With  Sounds‐‐The  Design  & Evaluation of an Audio Progress Bar. Paper presented at the ICAD 98, University of Glasgow, United Kingdom. 

Culbertson,  E.  (2006).  COMUSAFE:  unmanned  aircraft  key  to  future  decision superiority [Electronic Version]. Air Force Link, from  http://www.af.mil/news/story.asp?storyID=123029520 

Cummings, M. L., & Mitchell, P.  J.  (2008). Predicting Controller Capacity  in Remote Supervision of Multiple Unmanned Vehicles. IEEE Systems, Man, and Cybernetics, Part A Systems and Humans, 38(2). 

Page 103: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Cummings, M. L., Nehme, C. E., & Crandall, J. (2007). Predicting operator capacity for supervisory control of multiple UAVs. In J. S. Chahl, L. C. Jain, A. Mizutani & M. Sato‐Ilic  (Eds.),  Innovations  in  intelligent  machines:  Studies  in  computational intelligence (First Ed., Vol. 70). Australia: Springer. 

Cummings, M. L., & Tsonis, C. G. (2005). Deconstructing Complexity in Air Traffic Control. Paper presented at  the HFES 2005: 49th Annual Meeting of  the Human Factors and Ergonomics Society, Orlando, Florida. 

Deatherage, B. H. (1972). Auditory and other sensory forms of information processing. In H. P. VanCott & R. G. Kinkade  (Eds.), Human  engineering guide  to  equipment design (pp. 124). Washington, D.C.: American Institutes for Research. 

Dixon, S., Wickens, C. D., & Chang, D.  (2005). Mission control of multiple unmanned aerial vehicles: A workload analysis. Human Factors, 47, 479‐487. 

DOD.  (2007).  Unmanned  Systems  Roadmap  (2007‐2032).  Office  of  the  Secretary  of Defense, Washington, D.C. 

Economist. (2007). Unmanned and dangerous [Electronic Version]. The Economist, from http://www.economist.com/printedition/displaystory.cfm?story_id=10202603 

Flanagan,  P., McAnally, K., Martin,  R., Meehan,  J., & Oldfield,  S.  (1998). Aurally & visually guided visual search in a virtual environment. Human Factors, 40(3), 461‐468. 

Gates,  R. M.  (2008).  Speech  at  Air University. Unpublished manuscript, Maxwell Air Force Base, Alabama. 

Hart, S., & Staveland, L.  (1988). Development of  the NASA‐TLX: Results of empirical and  theoretical research.  In P. A. Hancock & N. Meshkati  (Eds.), Human mental workload (First Ed., pp. 139‐183). Amsterdam: North Holland. 

Hirst, W. (1986). The psychology of attention. In J. LeDoux & W. Hirst (Eds.), Mind and brain (pp. 105‐141). New York: Cambridge University Prep. 

Humes, L. E., Joellenbeck, L. M., & Durch, J. S. (Eds.). (2006). Noise and Military Service Implications for Hearing Loss and Tinnitus. Washington, D.C.: Institute of Medicine of the National Academies. 

Kahneman, D. (1973). Attention and effort. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice‐Hall. Kramer, G.  (1994).  Some  organizing  principles  for  representing  data with  sound.  In 

Auditory Display (pp. 1‐77). Reading, Massachusetts: Addison‐Wesley Publishing Company. 

Loeb, R. G., &  Fitch, W.  T.  (2002). A  Laboratory  Evaluation  of  an Auditory Display Designed to Enhance Intraoperative Monitoring. Anesthesia and Analgesia, 94, 362‐368. 

Martin, R. L., McAnally, K. I., & Senova, M. A. (2001). Free‐field equivalent localization of virtual audio. Journal of Audio Engineering Society, 49, 14‐22. 

Mayer, R.  E.  (1999).  Instructional  Technology.  In  F. Durso  (Ed.), Handbook  of Applied Cognition (pp. 551‐570). Chichester, U.K.: John Wiley. 

102 

Page 104: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Miller,  J.  (1991).  Channel  interaction  and  the  redundant‐targets  effect  in  bimodal divided  attention.  Journal  of  Experimental  Psychology:  Human  Perception  and Performance, 17(1), 160‐169. 

Mitchell,  P.  J.  (2005).  Mitigation  of  Human  Supervisory  Control  Wait  Times  through Automation Strategies. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA. 

Moray, N. (1967). Where  is capacity  limited? A survey and a model. Acta Psychologica, 27, 84‐92. 

Moray, N.  (1981). The  role of attention  in  the detection of errors and  the diagnosis of errors  in man‐machine  systems.  In  J.  Rasmussen  & W.  Rouse  (Eds.),  Human detection and diagnosis of system failures. New York: Plenum. 

Moroney, B. W., Nelson, W. T., Hettinger, L. J., Warm, J. S., Dember, W. N., Stoffregen, T. A.,  et  al.  (1999). An Evaluation  of Unisensory  and Multisensory Adaptive Flight Path Navigation Displays: An  Initial  Investigation. Paper presented at  the Human Factors and Ergonomics Society 43rd Annual Meeting, Houston, Texas. 

Nehme,  C.  E.,  Crandall,  J.  W.,  &  Cummings,  M.  L.  (2007).  An  Operator  Function Taxonomy  for  Unmanned  Aerial  Vehicle  Missions.  Paper  presented  at  the  12th International  Command  and  Control  Research  and  Technology  Symposium, Newport, Rhode Island. 

Nehme,  C.  E., &  Cummings, M.  L.  (2006). Audio Decision  Support  for  Supervisory Control  of  Unmanned  Vehicles  (HAL2006‐06).  Cambridge,  Massachusetts: Humans and Automation Laboratory. 

Nelson, W.  T., Hettinger,  L.  J., Cunningham,  J. A.,  Brickman,  B.  J., Haas, M. W., & McKinley,  R.  L.  (1998).  Effects  of  localized  auditory  information  on  visual performance  using  a  helmet‐mounted  display.  Air  Force  Research  Laboratory, Wright‐Patterson Air Force Base, 40(3), 452‐460. 

Osga, G., VanOrden, K., Campbell, N., Kellmeyer, D., & Lulue, D.  (2002). Design and Evaluation of Warfighter Task Support Methods in a Multi‐Modal Watchstation (Tech. Report 1874). San Diego, California: Space & Naval Warfare Center. 

Pacey, M., & MacGregor, C. (2001). Auditory Cues for Monitoring a Background Process A Comparative  Evaluation.  Paper  presented  at  the Human  Computer  Interaction: INTERACT ʹ01, Tokyo, Japan. 

Parasuraman,  R.,  Sheridan,  T.  B., & Wickens,  C. D.  (2000). A Model  for  Types  and Levels of Human Interaction with Automation. IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics ‐ Part A: Systems and Humans, 30, 286‐297. 

Parasuraman,  R.,  Warm,  J.,  &  Dember,  W.  (1987).  Overview  paper:  Vigilance: Taxonomy and utility.  In L. Mark,  J. Warm & R. Huston  (Eds.), Ergonomics and human factors: Recent research. New York: Springer Verlag. 

Parker, S. P. A., Smith, S. E., Stephan, K. L., Martin, R. L., & McAnally, K. I. (2004). Effect of  supplementing  head‐down  displays  with  3‐D  audio  during  visual  target acquisition. International Journal of Aviation Psychology, 14(3), 277‐295. 

103 

Page 105: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

Randolph, M. (2007). Changes on the horizon for Air Force pilots [Electronic Version]. Air Force Link, from http://www.af.mil/news/story.asp?storyID=123054831 

Sanders, M.  S., & McCormick,  E.  J.  (1993). Human  Factors  In  Engineering  and Design (Seventh Ed.). New York: McGraw‐Hill, Inc. 

Schroeder,  S.  (2008).  Enhance  Fire  Scout  Makes  Flight  Debut  [Electronic  Version]. Navy.mil, from http://www.news.navy.mil/search/display.asp?story_id=27145 

Scott, S. D., Mercier, S., Cummings, M. L., & Wang, E.  (2006, October 16‐20). Assisting Interruption Recovery  in Supervisory Control of Multiple UAVs. Paper presented at the HFES  2006:  50th Annual Meeting  of  the Human  Factors  and  Ergonomics Society, San Francisco, California. 

Simpson,  C.,  & Williams,  D.  H.  (1980).  Response  time  effects  of  alerting  tone  and semantic context for synthesized voice cockpit warnings. Human Factors, 22, 319‐330. 

SkyGeek.  (2008).  David  Clark  Headsets  [Electronic  Version].  Skygeek.com,  from http://www.skygeek.com/h20‐10.html 

Snodgrass,  J.  G.  (1975).  Psychophysics.  In  B.  Scharf  (Ed.),  Experimental  Sensory Psychology. Glenview, Illinois: Scott Foresman & Co. 

Sorkin,  R.  D.  (1987).  Design  of  auditory  and  tactile  displays.  In  G.  Salvendy  (Ed.), Handbook of human factors (pp. 549‐576). New York: Wiley. 

St.John, M.,  Smallman, H.  S., & Manes, D.  I.  (2005).  Recovery  from  Interruptions  to  a Dynamic Monitoring Task: the Beguiling Utility of Instant Replay. Paper presented at the HFES  2005:  49th Annual Meeting  of  the Human  Factors  and  Ergonomics Society, Orlando, Florida. 

Streeter, L. A., Vitello, D., & Wonsiewicz, S. A. (1985). How to tell people where to go: Comparing  navigational  aids.  International  Journal  on Man‐Machine  Studies,  22, 549‐562. 

Staff.  (2008). Rise of  the Machines: UAV Use  Soars  [Electronic Version]. Military.com: Today in the Military, from  http://www.military.com/NewsContent/0,13319,159220,00.html 

Sullivan, G. R.  (2008). U.S. Army Aviation: Balancing Current  and  Future Demands, Torchbearer National Security Report. Arlington, Virginia: Association of the United States Army. 

Tannen, R.  S.  (1998). Breaking  the Sound Barrier: Designing Auditory Displays  for Global Usability. Paper presented at  the 4th Conference on Human Factors &  the Web, Basking Ridge, New Jersey. 

Tsach, S., Peled, A., Penn, D., Keshales, B., & Guedj, R.  (2007). Development Trends  for Next Generation UAV Systems. Paper presented at the AIAA 2007 Conference and Exhibit, Rohnert Park, California. 

USAF.  (2007).  Air  Force  chief  of  staff  initiates  MQ‐1  Predator  plus‐up  [Electronic Version]. Air Force Link, from http://www.af.mil/news/story.asp?id=123060692 

104 

Page 106: Effect of Auditory Peripheral Displays Unmanned …Effect of Auditory Peripheral Displays On Unmanned Aerial Vehicle Operator Performance by Hudson D. Graham B.S. Systems Engineering

 

105 

Walden, B. E., Prosek, R. A., & Worthington, D. W. (1975). The Prevalence of Hearing Loss within Selected U.S. Army Branches. Washington, D.C.: Walter Reed Army Medical Center. 

Watson,  M.,  &  Sanderson,  P.  (2004).  Sonification  Supports  Eyes‐Free  Respiratory Monitoring and Task Time‐Sharing. Human Factors, 46(3), 497‐517. 

Whitney,  R.  (2007).  Air  Force  stands  up  first  unmanned  aircraft  systems  wing [Electronic Version]. Space War: Your World at War, from  http://www.spacewar.com/reports/Air_Force_Stands_Up_First_Unmanned_Aircraft_Systems_Wing_999.html 

Wickens, C. D., & Hollands, J. G. (2000). Engineering Psychology and Human Performance (Third Ed.). Upper Saddle River, New Jersey 07458: Prentice Hall. 

Wickens, C. D., Lee,  J. D., Liu, Y., & Becker, S. E. G.  (2004). An  Introduction  to Human Factors Engineering (Second Ed.). Upper Saddle River, New Jersey 07458: Pearson Prentice Hall. 

Wightman, F. L., & Kistler, D. J. (1989). Headphone simulation of free‐field listening. I: Stimulus synthesis. Journal of the Acoustical Society of America, 85(2), 858‐867. 

Wundt, W. M. (1902). Principles of Physiological Psychology. London: Swan Sonnenschein & Co. Ltd.